CN100463099C - 离子源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子源，其包括：一放电室；一磁路，该磁路环绕该放电室；一供气系统，用于向该放电室提供工作气体和反应气体；一阳极，设置在该放电室的下方；一阴极，设置在该放电室的上方，与上述阳极相对应；其中，该阴极为多个场发射冷阴极，该场发射冷阴极包括一场发射端和一用于支撑该场发射端的绝缘支撑臂，所述场发射端对准该放电室。采用碳纳米管场发射装置作为阴极的离子源具有低能耗，且无须时常更换阴极的优点。

Description

离子源
【技术领域】
本发明涉及一种真空镀膜辅助设备，尤其涉及一种用于离子辅助镀膜的离子源。
【背景技术】
传统真空镀膜设备是在真空条件下用电子或电子束将膜料加热至蒸发温度，使其蒸发并沉积在基材上形成薄膜以达到镀膜的目的。但是，被蒸发膜料原子的能量低，所镀膜层的附著力差、密度低，薄膜的性质受环境影响大、易脱落、不稳定。此外，电子蒸发时，电子枪的栅极电压为6000-10000V，容易引起高压放电打火，影响薄膜的质量。
为增加真空镀膜的附著力、密度并改善其物理性质，在电子束蒸发过程中需使用离子源对基材进行轰击，实现离子辅助镀膜的目的。离子辅助镀膜对成长的膜原子撞击可使薄膜的光谱特性特别稳定、吸水性减少、折射率升高和粗糙度降低，这是因为离子助镀后膜堆积密度升高，膜变得更致密，因此吸水量变少，光谱特性也因此不会飘移，折射率变大而且稳定。
Harold R.Kaufman在1989年8月29日公告的美国专利第4,862,032号首先揭露一种用于无栅极离子助镀的离子源即端霍尔离子源(End-Hall IonSource)，此类离子源现在仍普遍使用，其主要技术内容如下：
如图1所示，端霍尔离子源20由发射电子的阴极22、接收电子并发射离子的阳极25、磁路26和供气系统(未标示)组成，该阴极22包括一阴极灯丝221和两陶瓷绝缘垫224和226。磁路26在放电室24内形成磁场，磁力线由阴极22下部的磁极发出经放电室进入顶部磁极27。离子源工作时，工作气体(氩气)和反应气体(如氧气)由供气管道21进入到放电室24内。与此同时，阴极灯丝221被加热至热电子发射温度，阳极25被施以正电位。在电场的作用下，阴极灯丝221发射的部分电子沿磁力线以螺旋运动的方式向阳极25迁移，在放电室内与气体原子或分子发生碰撞，并将其电离。在电离过程中产生的电子继续向阳极25迁移，产生的离子将在放电室24电场的作用下被加速并与阴极灯丝221产生的部分电子中和的后形成等离子体射出离子源20，具有一定能量的等离子体对基材进行直接轰击进行镀前清洗，或轰击薄膜表面与薄膜表面原子进行能量交换进行离子辅助镀膜。
1993年3月10日公告的中国专利第97228290.4号揭露一种用于大面积辅助镀膜的离子源，其包含有放电室、阳极、阴极发射体、阴极磁极靴、磁屏和阳极磁极靴。其阴极发射体为杯状硼化镧，其被加热到温度1500℃以上才能发射电子。
2002年11月20日公开的中国专利申请第02116688.9号揭露一种端霍尔离子源，其由阴极灯丝、阳极、供气系统磁路等部件组成，其中，该阴极灯丝为钨丝。
但是，上述离子源用于提供电子的阴极都采用连接于高电压的钨丝或硼化镧，该钨丝或硼化镧在高电压下受激发才能发出电子。采用钨丝或硼化镧的阴极具有两个缺点：(1)需提供较高工作电压：若放电室内的反应气体为氧气，则钨丝两端电压约为110V；若放电室内的反应气体为氢气，则钨丝两端电压约为150V；(2)需时常更换阴极：钨丝在使用过程中其产生电子的效率随着使用时间越长而降低，且其使用时间不超过六小时。
所以，提供一种具有较低工作电压，且无须时常更换阴极的离子源实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有较低工作电压，且无须时常更换阴极的离子源。
为实现本发明目的，本发明提供一种离子源，其包括：
一放电室；
一磁路，该磁路环绕该放电室；
一供气系统，用于向该放电室提供工作气体和反应气体；
一阳极，设置在该放电室的下方；
一阴极，设置在该放电室的上方，与上述阳极相对应；
其中，该阴极为多个场发射冷阴极，该场发射冷阴极包括一场发射端和一用于支撑该场发射端的绝缘支撑臂，所述场发射端对准该放电室。
该场发射冷阴极包括碳纳米管场发射端、各种针尖结构场发射端、或各种薄膜场发射端。
与先前技术相较，本发明的离子源采用多个场发射冷阴极作为用于提供电子的阴极。场发射冷阴极的工作电压较低，如，采用碳纳米管的场发射阴极的工作电压大约在20V左右，远低于采用钨丝或硼化镧的工作电压，所以其具有低能耗的优点，而且碳纳米管场发射装置具有使用寿命长、体积小的优点。综上，采用碳纳米管场发射装置作为阴极的离子源具有低能耗，且无须时常更换阴极的优点。
【附图说明】
图1是先前技术的离子源的剖面示意图。
图2是本发明第一实施例的离子源的剖面示意图。
图3是本发明第二实施例的离子源的剖面示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图2，本发明的第一实施例的离子源30，其包括：一放电室34；一磁路36，该磁路36环绕该放电室34；一供气系统(未标示)，用于向该放电室34提供工作气体和反应气体；一阳极35，设置在该放电室34的下方；多个场发射冷阴极32，设置在该放电室34的上方，与上述阳极35相对应。
本发明的磁路36为环绕该离子源30而设，其一般由背磁极(未标示)、磁体(未标示)、外磁体(未标示)和顶部磁体364组成。该磁路36的背磁极(未标示)、磁体(未标示)、外磁体(未标示)和顶部磁体364在放电室34内形成磁场(如图2所示)。
每个该场发射冷阴极32包括一场发射端322和一用于支撑该场发射端322的绝缘支撑臂324，多个绝缘支撑臂324分别固定在磁路36的顶部磁体364，并使场发射端322与其它部件绝缘。本实施为采用碳纳米管的场发射端322，其包括一基底3221和一形成于该基底3221表面的碳纳米管阵列3223，该基底3221与绝缘支撑臂324相连接，该基底3221外接电源用于提供一工作电压。其中，该多个绝缘支撑臂324的形状在起到配合场发射端322的碳纳米管阵列3223对准放电室34的要求下可任意设计。
该阳极35为圆柱体结构，其沿中轴心位置开设有一锥形结构的凹槽，相对应于该场发射冷阴极32。该阳极35的锥形凹槽底部构造出可装载膜料的圆形坩埚351。该阳极35的下部设有布气板312，该阳极35通过螺栓(未标示)与布气板312相连接。布气板312上设有一供气管道313，组成供气系统。
本发明的离子源30在真空环境作业时，工作气体和反应气体分别由一供气管道313导入到放电室34内，工作气体选用氩气，反应气体选用氧气。磁力线由场发射冷阴极32下部的磁路36发出进入顶部磁极364。与此同时，与该场发射端322外接的电源提供场发射端322一负电位，提供阳极35一正电位，碳纳米管阵列3223受激发射出电子。在放电室的电场作用下，从碳纳米管阵列发出的部分电子沿磁力线方向向阳极35迁移，在放电室34内与气体原子或分子发生碰撞，并将其电离。在电离过程中产生的电子继续向阳极35迁移，产生的离子将在放电室34电场的作用下被加速，与场发射端322产生的部分电子中和之后，形成等离子体从离子助镀器30射出。具有一定能量的等离子体束对基材(未标示)进行直接轰击进行镀前清洗，或轰击基材薄膜表面与薄膜表面原子进行能量交换进行离子辅助镀膜。
请参阅图3，本发明的第二实施例的离子源40，其包括：一放电室44；一磁路(未标示)，该磁路环绕该放电室44；一阳极45设置在放电室44下方；多个场发射冷阴极42设置在放电室44上方；和一供气系统(未标示)，用于向该放电室44提供工作气体和反应气体。
该磁路包括背磁极461、磁体462、外磁极463和顶部磁极464，可在放电室44内形成一磁场。
该阳极45设有装载膜料的坩埚451，该阳极45通过螺栓48与下方的布气板49连接。该布气板49上设有环型布气槽50，在环型布气槽50顶部有沿圆周均匀分布的供气孔51。环型布气槽50向下连接一供气管道52。上述布气板49、环型布气槽50、供气孔51和供气管道52构成该供气系统。工作气体(如氩气)和反应气体(如氧气)由该供气管道52进入环型布气槽50内，然后由供气孔51沿图中所示方向向放电室内供气。
另外，该阳极45和坩埚451底部一般还设有水冷系统(未标示)，以避免坩埚351和其它工件在高温下被烧毁。该水冷系统包括一设在该阳极45和坩埚451底部的水冷室47，一设在环形布气槽50下方的冷却水进水口53和出水口54。冷却水由进水口53进入到水冷室47，经循环与阳极45热交换后由出水口54流出，以保证坩埚451被充分冷却，避免坩埚451和其它部件被烧毁。
每个场发射冷阴极42包括一场发射端422和一用于支撑该场发射端422的绝缘支撑臂424，多个绝缘支撑臂424固定在顶部磁极464。本实施为采用碳纳米管的场发射端422，其包括一基底4221和一形成于该基底4221表面的碳纳米管阵列4223，该基底4221与绝缘支撑臂424相连接，该基底4221外接电源用于提供一工作电压。
本实施例离子源40通过法兰背板55安装在真空室壁内，其工作原理与第一实施例相同。可以理解的是，本发明离子源的场发射冷阴极除采用碳纳米管外，还可采用各种适宜于场发射的材料，包括各种针尖结构，例如各种金属尖、非金属尖、化合物尖、纳米杆状结构等；或各种薄膜结构，例如金刚石薄膜等。
本发明的离子源采用多个场发射冷阴极作为用于提供电子的阴极。场发射冷阴极的工作电压较低，如，采用碳纳米管的场发射阴极的工作电压大约在20V左右，远低于采用钨丝或硼化镧的工作电压，所以其具有低能耗的优点，而且碳纳米管场发射装置具有使用寿命长、体积小的优点。所以，采用碳纳米管场发射装置作为阴极的离子源具有低能耗，而且无须时常更换阴极的优点。

Claims (14)

1.一种离子源，其包括：
一放电室；
一磁路，该磁路环绕该放电室；
一供气系统，用于向该放电室提供工作气体和反应气体；
一阳极，设置在该放电室的下方；
一阴极，设置在该放电室的上方，与上述阳极相对应；
其特征在于该阴极为多个场发射冷阴极，该场发射冷阴极包括一场发射端和一用于支撑该场发射端的绝缘支撑臂，所述场发射端对准该放电室。
2.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该场发射端包括碳纳米管场发射端。
3.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该场发射端包括金属尖、非金属尖、化合物尖、纳米杆状场发射端。
4.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该场发射端包括薄膜场发射端。
5.如权利要求4所述的离子源，其特征在于该场发射端包括金刚石薄膜场发射端。
6.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该磁路包括背磁极、磁体、外磁极和顶部磁极，用于在放电室内形成一磁场。
7.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该阳极设有一坩埚。
8.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该阳极下方设有一布气板。
9.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该供气系统包括一布气板和一设置在该布气板的环型布气槽，该环型布气槽的顶端设有供气孔，下端与一供气管道相连接。
10.如权利要求9所述的离子源，其特征在于该供气管道通入工作气体和反应气体。
11.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该工作气体为氩气。
12.如权利要求1所述的离子源，其特征在于该反应气体为氧气。
13.如权利要求7所述的离子源，其特征在于该阳极和坩埚底部设有一水冷系统。
14.如权利要求13所述的离子源，其特征在于该水冷系统包括一水冷室、一进入口和一出水口。
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