CN101308754A - 一种新型磁路结构考夫曼型离子源 - Google Patents

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一种新型磁路结构考夫曼型离子源，其结构组成包括由阳极管、阴极丝、加速栅和屏栅构成离子源放电室，以及用于中和离子束中正电荷的中和灯丝；其特征是设置单筒状阳极管固定在位于在离子源放电室底部的基底法兰上，阴极丝位于阳极管内部，用于产生多极磁场的磁路由阳极管外周分段设置、且同名端相向的各环形磁铁和分别设置在环形磁铁顶部、底部以及隔间设置在各段环形磁铁之间的磁靴组件构成。本发明采用轴向磁化的环形磁铁，通过磁靴的引磁作用，在阳极管壁附近产生局部的多极磁场，有效防止了原初电子撞击阳极管而导致能量损失，其结构简单、易于装配、方便拆卸。

Description

一种新型磁路结构考夫曼型离子源
技术领域
本发明涉及离子束的发生装置，尤其涉及一种用于离子束辅助镀膜的考夫曼型离子源。
背景技术
考夫曼型离子源属于热阴极放电型气体离子源，是一种宽束离子源。由于它能产生高束流大面积的离子束，同时又具有离子束能量、密度和方向等参数独立可控的优点，使其在离子束刻蚀、离子束溅射淀积镀膜、离子束注入和表面处理等领域有着广泛地研究和应用。
考夫曼离子源由阳极、阴极、放电室圆筒构成放电室和屏栅、加速栅构成光学引出系统、产生磁场的磁路结构以及中和灯丝等部分组成。热阴极在阳极电场作用下发射电子，电子与工作气体分子(原子)碰撞电离，形成等离子体。磁场的作用是为了延长原初电子(阴极发射的电子，称为原初电子)的寿命，增加原初电子与工作气体分子(原子)发生碰撞的几率，提高离化率，同时约束等离子体。
文献《Technology and applications of broad-beam ion sources used in sputtering.Part I.Ionsource technology》(J.Vac.Sci.Technol.，21(3)，1982)提及：离子束流特性的改善得益于磁场结构的优化。采用轴向磁场的放电室结构是在放电室圆筒外部装配与放电室圆筒中心轴线平行的圆柱形永久磁铁，或在放电室圆筒外部环绕电磁线圈。采用多极磁场的放电室结构是两相邻磁靴间固定有许多圆柱形永久磁铁41，阳极42位于磁靴43之间，其结构示意图如图1所示。图1中，44为磁力线，45为工作气体，46为离子束。采用此结构的优点在于：磁场大部分集中于阳极42附近很小的范围内，放电室空间内的大部分区域磁场强度很弱，对离子的作用可忽略不计，使得等离子体中的离子密度在很大范围内作均匀分布，引出的离子束流均匀性好。图1所示结构仍然是目前应用比较广泛的传统结构。
但是，采用现有磁路结构产生多极磁场的离子源存在如下不足之处：
1、阳极由多个圆筒(或圆环)组成，给离子源的装配增加了难度，同时也增加电源引线的接入与绝缘处理的难度；
2、多极磁场是由多个圆柱形磁铁和磁靴组合产生，结构复杂、拆卸费时。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种既能产生多极磁场、又能保证结构简单、易于装配、方便拆卸的新型磁路结构考夫曼型离子源。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明结构组成包括由阳极管、阴极丝、加速栅和屏栅构成离子源放电室，以及用于中和离子束中正电荷的中和灯丝；
本发明的结构特点是设置单筒状阳极管，单筒状阳极管固定设置在位于在离子源放电室底部的基底法兰上，阴极丝位于阳极管内部，用于产生多极磁场的磁路由阳极管外周分段设置、且同名端相向的各环形磁铁和分别设置在环形磁铁顶部、底部以及隔间设置在各段环形磁铁之间的磁靴组件构成。
本发明的结构特点也在于：
磁靴组件设置为由导磁隔板和连接在导磁隔板外周磁靴外圈构成横置的“工”字形结构，其中，与阳极管接触的导磁隔板为导磁不导电材质，外磁靴外圈为不导磁材质。
在阳极管的顶部设置顶端法兰，顶端法兰与基底法兰之间是以长螺栓连接构成离子源放电室支架，位于阳极管上方的加速栅和屏栅分别设置在顶端法兰上。
在基底法兰的外周设置屏蔽罩，中和灯丝固定设置在屏蔽罩的顶端。
在离子源放电室的外侧设置水冷套筒。
在顶端法兰的下表面设置有圆环形凹槽，冷却水套筒嵌装于圆环形凹槽中，与冷却水套筒4贯通的冷却水的进水管和出水管穿过基底法兰而设置。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用轴向磁化的环形磁铁，通过磁靴的引磁作用，在阳极管壁附近产生局部的多极磁场，有效防止了原初电子撞击阳极管而导致能量损失；由于放电室内低磁场区的存在，避免了等离子体密度在很大放电空间内的不均匀分布。
2、本发明中采用环形磁铁较之已有技术中的圆柱形磁铁更易于定位和安装，其成横置“工”字形结构设置的磁靴组件对于环形磁铁形成了稳固的定位，更有助于准确装配；
3、本发明中与阳极管接触的导磁隔板为导磁不导电材质，简化了绝缘处理的问题。
4、本发明以顶端法兰和基底法兰通过长螺栓连接构成构成离子源放电室支架，整体结构简单、便于装配和拆卸。
5、本发明中离子源放电室外侧设置的水冷套筒使离子源在工作过程中被充分冷却，避免了因发热过度而影响正常工作寿命。
6、本发明中顶端法兰下表面凹槽的设置使水冷套筒更加便于装配。
附图说明
图1是已有技术中采用多极磁场的考夫曼型离子源的结构示意图。
图2为本发明磁靴组件结构示意图。
图3为本发明的结构示意图。
图中标号：1上部磁靴组件、2长螺栓、3顶端磁靴组件、4冷却水套筒、5顶端法兰、6螺钉、9屏栅、10加速栅、12绝缘板、13中和灯丝、14顶部螺钉、16上部环形磁铁、17中部环形磁铁、18下部磁靴组件、19下部环形磁铁、20底端磁靴组件、21阳极管、22底部螺栓、23绝缘套筒、24阴极丝、25支撑杆、26基底法兰、27进水管、28绝缘垫片、29工作气体管道、30外部法兰、31出水管、32屏蔽罩、33导磁隔板、34外圈。
以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图3，按常规形式，结构组成中应包括由阳极管21、阴极丝24、加速栅10和屏栅9构成离子源放电室，以及用于中和离子束中正电荷的中和灯丝，以及用于产生磁场的磁路结构。
图3所示，本实施例中，设置单筒状阳极管21，单筒状阳极管21固定设置在位于在离子源放电室底部的基底法兰26上，阴极丝24位于阳极管内部，用于产生多极磁场的磁路由阳极管21外周分段设置、且同名端相向的各环形磁铁和分别设置在环形磁铁顶部、底部以及隔间设置在各段环形磁铁之间的磁靴组件构成；具体包括如图3所示的顶端磁靴组件3、上部磁靴组件1、下部磁靴组件18、底端磁靴组件20，以及分别位于各磁靴组件之间的上部环形磁铁16、中部环形磁铁17和下部环形磁铁19。
本实施例中，设置基底法兰26为总体结构基础，阳极管21通过底部螺栓22联接固定于基底法兰26，在阳极管21和基底法兰26之间设置有绝缘垫片28，螺栓22与阳极管21之间装有绝缘套筒23。
具体实施中，相应的结构形式也包括：
参见图3，磁靴组件设置为由导磁隔板33和连接在导磁隔板33外周磁靴外圈34构成横置的“工”字形结构，其中，与阳极管21接触的导磁隔板33为导磁不导电材质，外磁靴外圈34为不导磁材质。
在阳极管21的顶部设置顶端法兰5，顶端法兰5与基底法兰26之间是以长螺栓2连接构成离子源放电室支架，位于阳极管21上方的加速栅10和屏栅9分别设置在顶端法兰5上。
在基底法兰26的外周设置屏蔽罩32，中和灯丝13固定设置在屏蔽罩13的顶端。
在离子源放电室的外侧设置水冷套筒2，使离子源在工件过程中被充分冷却，避免了因发热过度而影响正常工作寿命，为了便于装配，在顶端法兰5的下表面设置有圆环形凹槽，冷却水套筒4嵌装于圆环形凹槽中，与冷却水套筒4贯通的冷却水的进水管27和出水管31穿过基底法兰26而设置。
此外，如图3所示，在基底法兰26上加工有凹槽，以利于磁路中底端磁靴组件20的安装；离子束的引出系统直接联接固定于顶端法兰5上，使屏栅9和加速栅10的电压便于接入；顶端磁靴组件3的上表面与顶端法兰5的下表面共面，屏栅9和加速栅10分别通过绝缘垫片，并以顶部螺钉14联接固定于顶端法兰5；通过外部法兰30联接工作气体管道29以及阴极丝24的支撑杆25。屏蔽罩32用螺栓联接于基底法兰26。中和灯丝13联接于屏蔽罩32的上端，在螺钉6与屏蔽罩32之间有“L”形绝缘板12。

Claims (6)

1、一种新型磁路结构考夫曼型离子源，其结构组成包括由阳极管(21)、阴极丝(24)、加速栅(10)和屏栅(9)构成离子源放电室，以及用于中和离子束中正电荷的中和灯丝；其特征是设置单筒状阳极管(21)，所述单筒状阳极管(21)固定设置在位于在离子源放电室底部的基底法兰(26)上，阴极丝(24)位于阳极管内部，用于产生多极磁场的磁路由阳极管(21)外周分段设置、且同名端相向的各环形磁铁和分别设置在环形磁铁顶部、底部以及隔间设置在各段环形磁铁之间的磁靴组件构成。
2、根据权利要求1所述的新型磁路结构考夫曼型离子源，其特征是所述磁靴组件设置为由导磁隔板(33)和连接在导磁隔板(33)外周磁靴外圈(34)构成横置的“工”字形结构，其中，与阳极管(21)接触的导磁隔板(33)为导磁不导电材质，外磁靴外圈(34)为不导磁材质。
3、根据权利要求1所述的新型磁路结构考夫曼型离子源，其特征是在所述阳极管(21)的顶部设置顶端法兰(5)，所述顶端法兰(5)与基底法兰(26)之间是以长螺栓(2)连接构成离子源放电室支架，位于阳极管(21)上方的加速栅(10)和屏栅(9)分别设置在顶端法兰(5)上。
4、根据权利要求1所述的新型磁路结构考夫曼型离子源，其特征是在所述基底法兰(26)的外周设置屏蔽罩(32)，中和灯丝(13)固定设置在屏蔽罩(32)的顶端。
5、根据权利要求1所述的新型磁路结构考夫曼型离子源，其特征是在所述离子源放电室的外侧设置水冷套筒(4)。
6、根据权利要求5所述的新型磁路结构考夫曼型离子源，其特征是在所述顶端法兰(5)的下表面设置有圆环形凹槽，冷却水套筒(4)嵌装于圆环形凹槽中，与冷却水套筒(4)贯通的冷却水的进水管(27)和出水管(31)穿过基底法兰(26)而设置。
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