CN102254775A - 增强磁场型线性离子源 - Google Patents

Abstract

本发明属于离子束技术领域，具体地说是一种适用于离子束清洗，离子束刻蚀和离子束辅助沉积的磁场增强型线性离子源。包括阴极顶板、阴极外框、中央磁钢、外围磁钢、气路、水冷阳极和绝缘支柱。离子束引出口由构成阴极顶板的阴极顶板外环和阴极顶板内环之间开设的环状槽构成；中央磁钢和外围磁钢分别设在阴极外框内部的中间和外围，阴极顶板、阴极外框、中央磁钢和外围磁钢形成一个封闭的环形放电槽，阳极通过绝缘支柱支撑在环形放电槽中，位于环状离子束引出口下方，阳极上表面与离子引出口距离在5mm以上。本发明提高了离子源引出束流密度，可稳定工作于高电压小电流和低电压大电流两种工作模式、使用寿命长，并在恶劣的镀膜环境下能长时间正常工作。

Description

增强磁场型线性离子源

技术领域

本发明属于等离子体技术和离子束技术领域，具体地说是一种适用于离子束清洗，离子束刻蚀和离子束辅助沉积的增强磁场型线性离子源。

背景技术

阳极层线性离子源在工业上广泛应用于离子刻蚀、离子清洗和离子束辅助沉积等工艺。从阳极层离子源引出的离子轰击基体表面起到清洗、活化和强化材料表面及消除静电的作用。荷能离子与成膜粒子相互碰撞能将部分能量传递给成膜粒子，载能的成膜粒子沉积在基体表面形成致密的膜。这种离子源不需要电子发射器(如灯丝、空心阴极等)，所以尤其适合于放电气体中含有氧、氢以及带有腐蚀性气体的工况，可以避免电子发射器烧毁而使离子源无法正常工作的缺点。阳极层离子源离子束能量范围很宽，并且其结构简单，设计成本低，因此这种离子源已广泛应用于工业镀膜中。通常的阳极层离子源采用的是一路磁钢的磁场结构，在离子引出槽处磁场强度相对较低，在低气压工作时，引出束流密度相对较低。阳极与阴极间距离较小，通常在3mm之内，在恶劣的镀膜环境下，很容易发生阴阳电极短路的问题，造成离子源不能正常使用，另外这种离子源工作气压范围窄，不能稳定工作于高电压小电流和低电压大电流两种工作模式。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种提高引出束流密度和能量、可稳定工作于高电压小电流和低电压大电流两种工作模式、使用寿命长，并在恶劣的镀膜环境下能长时间正常工作的磁场增强型线性离子源。

实现本发明目的的技术方案：一种增强磁场型线性离子源，其中：包括呈长方形且顶部开有长环状贯通沟槽的阴极顶板和长条槽状的阴极外框组成的盒状结构；所述阴极顶板上开有长环状贯通沟槽式环状离子引出开口；所述盒状结构内部纵轴线上置有中央磁钢，平行于所述中央磁钢两侧且位于阴极外框内壁处置有外围磁钢，中央磁钢和外围磁钢之间形成环形放电槽；所述阴极外框的底板上安装有绝缘支柱，所述绝缘支柱将长环状阳极置于所述环形放电槽中，且使阳极位于所述环状离子引出开口下方；阴极外框的底板上还设有气管。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述阳极上表面与阴极顶板下表面之间的距离在5mm以上。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：阴极顶板由阴极顶板内环和阴极顶板外环构成，阴极顶板内环和阴极顶板外环之间为环状离子引出开口；阴极顶板内环开设阴极顶板水冷通道，阴极外框的壁上开设阴极外框水冷通道；所述阳极中间开设阳极水冷通道。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述绝缘支柱通过螺钉固定在阴极外框的底板上，所述螺钉上设有密封端盖。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述阳极与阴极之间采用阳极悬浮屏蔽罩结构，阳极悬浮屏蔽罩采用导磁碳钢或不锈钢材料。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述中央磁钢、外围磁钢面向环形放电槽一侧设有挡板。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：在所述阴极外框下方设有进气管、阳极水冷管和阴极水冷管；所述进气管与气管连接，阳极水冷管和阳极水冷通道连接，阴极水冷管和阴极顶板水冷通道、阴极外框水冷通道连接；且进气管、阳极水冷管和阴极水冷管位于密封盒内。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述阴极顶板外环采用拼接结构。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述线性离子源的供电电源采用直流电源或脉冲中频电源。

如上所述一种磁场增强型线性离子源，其中：所述中央磁钢和外围磁钢同时采用Nd-Fe-B永磁体材料。

本发明的有益效果：(1)外围磁钢的引入，增强了引出开口处的磁场强度，增加了磁镜结构的对称型，使离子源引出束流密度更强，同时减少离子对阴极壁的刻蚀，延长阴极使用寿命。(2)阳极上表面与引出口距离在5mm以上，减小了由于阳极上表面与引出口处由于镀膜碎片的积累，造成阳极与阴极短路的危险，使离子源能够在恶劣的镀膜环境下长时间工作。(3)阴极采用内含水路通道冷却方式，而不是采用焊接或镶嵌水冷管的冷却方式，使离子源能够在更高温度的工作环境和更大的功率密度下可靠工作。(4)阳极与阴极之间采用了阳极悬浮屏蔽罩结构，阳极悬浮屏蔽罩采用导磁碳钢或不锈钢材料，对阳极起到电屏蔽和磁屏蔽的作用，消除了槽内阳极与阴极之间放电。(5)密封盒结构的引入，使离子源可以方便的内置于镀膜室之内。不受真空室连接法兰端口的限制。同时密封盒与真空室外大气环境相通，使离子源冷却水路绝缘更加方便。(6)阴极顶板外环采用拼接结构，使离子源安装和维护更加方便。(7)供电电源可以采用直流电源和脉冲中频电源两种方式，供电电源选择范围更宽范。(8)本发明没有特殊的栅极引出结构，不需要灯丝热阴极、空心阴极或射频电子中和器，结构简单，所以可靠性高，制造和维护成本低，检修间隔长。这种离子源可以工作于两种模式，即高电压小电流模式和低电压大电流模式，分别用于高能量准直束的离子束清洗、刻蚀和低能量的离子束辅助沉积，有效改善离子束清洗、刻蚀效果，并避免辅助沉积时的离子束基片损伤。

附图说明

图1为本发明的一种磁场增强型线性离子源的主视截面图；

图2为本发明的一种磁场增强型线性离子源的顶视图；

图3为本发明的一种磁场增强型线性离子源的轴侧视图；

图4为本发明的一种磁场增强型线性离子源的端部剖视图；

图5为本发明的一种增强磁场型线性离子源的磁力线分布示意图。

图6为本发明的一种增强磁场型线性离子源的电源接线示意图。

图中：1.环状离子引出开口；2.阴极顶板内环；3.阴极顶板外环；4.外围磁钢；5.阴极外框；6.密封圈；7.密封盒；8.进气管；9.阳极水冷管；10.阴极水冷管；11.气管；12.螺钉；13.密封端盖；14.密封圈；15.绝缘支柱；16.挡板；18.阳极；19.阳极悬浮屏蔽罩；20.中央磁钢；22.阴极顶板水冷通道；23.阴极外框水冷通道；24.阳极水冷通道；25.气路镶嵌槽；26.沉孔。

具体实施方法

以下结合实施例和附图对本发明提供的一种增强磁场型线性离子源作进一步说明。

如图1至图4所示，一种增强磁场型线性离子源由阴极顶板和阴极外框5组合构成。阴极顶板呈长方形，在阴极顶板上开设一定宽度的长环状贯通沟槽，沟槽截面上部呈倒梯形、下部呈长方形，阴极顶板的沟槽称为环状离子引出开口1。沟槽中间的顶板称为阴极顶板内环2，沟槽外侧的顶板称为阴极顶板外环3，并在阴极顶板内环2上开设阴极顶板水冷通道22。

阴极外框5为长条槽状，其壁内开有阴极外框水冷通道23，其底板上开设一定深度和宽度的气路镶嵌槽25，气路镶嵌槽25用于安装气管11。阴极外框5底板上位于阳极18下方位置开设若干个沉孔26，用于绝缘支柱15的安装定位。阴极外框5的底板上还开有若干通孔，用于使进气管8、阳极水冷管9和阴极水冷管10穿过。

在阴极顶板和阴极外框5组成结构的内部中央(沿纵向轴线)置有中央磁钢20，两侧平行于中央磁钢20且靠近阴极外框5内壁处置有外围磁钢4；中央磁钢20和外围磁钢4最好同时采用高性能Nd-Fe-B永磁体材料或其他永磁体材料。中央磁钢20和外围磁钢4分别安装在阴极外框5内部的中间和外围，在中央磁钢20和外围磁钢4之间形成环形放电槽，中央磁钢20和外围磁钢4面向环形放电槽一侧均安装挡板16，挡板16用于消除放电对磁钢的损伤。

安装在阴极外框5底板上的绝缘支柱15用于支撑长环状阳极18，阳极18的截面呈长方形，且阳极18中间开设有阳极水冷通道24；阳极18通过绝缘支柱15支撑在环形放电槽中。气管11安装在气路镶嵌槽25内且环绕中央磁钢20，绝缘支柱15下端通过螺钉12固定在阴极外框5底板上沉孔26内。绝缘支柱15上还固定有阳极悬浮屏蔽罩19，阳极悬浮屏蔽罩19减少了阳极18与阴极外框5底面与两侧的放电。由阴极顶板内环2、阴极顶板外环3、以及阴极顶板内环2与阴极顶板外环3之间开设的环状离子引出开口1构成的阴极顶板借助于螺钉安装在阴极外框5的上端开口处。阳极18位于环形放电槽中环状离子引出开口下方，阳极18上表面与阴极顶板内外环2、3下表面之间的距离在5mm以上。

在阴极外框5底板背面，由若干个圆形的密封端盖13通过压紧密封圈14密封住螺钉12，密封端盖13借助于螺钉固定在阴极水冷外框5底板上；带外沿的长环槽状的密封盒7压紧密封圈6罩在进气管8、阳极水冷管9和阴极水冷管上，密封盒7借助于螺钉固定在阴极外框5底板上。阴极外框5下方的进气管8、阳极水冷管9和阴极水冷管10处于真空环境之外，进气管8与气管11连接，阳极水冷管9和阳极水冷通道24连接，阴极水冷管10和阴极顶板水冷通道22、阴极外框水冷通道23连接。密封盒7结构使离子源冷却水路绝缘更加方便，并通过波纹软管与真空室外大气环境相通。离子源可以内置于镀膜室之内。

为了安装方便，阴极顶板外环3可以采用4段拼接结构，如果离子源长度增加，可以采用更多段的拼接结构。

阴极顶板外环3、阴极顶板内环2、中央磁钢20和外围磁钢4和阴极外框5形成磁路的磁力线分布如图5所示；离子源的电源接线如图6所示。

外围磁钢4的引入，增强了离子引出开口处的磁场强度，增加了磁镜结构的对称型，使离子源引出束流密度更强，同时减少离子对阴极壁的刻蚀，延长阴极使用寿命。外围磁钢的引入，使离子源工作在高电压低电流(准直模式)和低电压大电流(扩散模式)两种工作模式时都能获得大的放电电流，并且具有很好的稳定性，可满足不同的工艺应用。如以氩气为工作气体，真空度为1×10^-1Pa时，长度为1m的磁场增强型线性离子源，工作电压1500V时，放电电流可以达到2A，离子束准直性好、能量高，可用于离子束刻蚀和镀膜时的离子束高效清洗。真空度为4×10^-1Pa时，工作电压300-400V时，放电电流可以达到10A以上，低能量大束流的扩散模式离子束作用面积大、均匀性好，可用于离子束辅助镀膜，避免基片损伤。

阴极外框5上和阴极顶板内环2上均有水冷通道，阴极顶板外环3通过与阴极外框5接触进行间接冷却，对阴极进行冷却；阳极18中间含有水冷通道，对阳极进行冷却。而不是采用焊接或镶嵌水冷管的冷却方式，使离子源能够长时间工作，避免由于温度过高造成磁钢退磁，能够适应更高温度的工作环境。

阳极18通过绝缘支柱15支撑在环形放电槽中，阳极18上表面与阴极顶板内外环下表面之间的距离在5mm以上，减小了由于阳极上表面与引出口处由于镀膜碎片的积累，造成阳极与阴极短路的危险，使离子源能够在恶劣的镀膜环境下长时间工作。

阳极与阴极之间采用了阳极悬浮屏蔽罩19结构，阳极悬浮屏蔽罩19采用导磁碳钢或不锈钢材料，对阳极起到电屏蔽和磁屏蔽的作用，消除了槽内阳极与阴极之间放电。

密封盒7结构的引入，使离子源可以方便的内置于镀膜室之内。不受真空室连接法兰端口的限制。同时密封盒与真空室外大气环境相通，使离子源冷却水路绝缘更加方便。

中央磁钢20和外围磁钢4面向放电槽一侧安装挡板16，消除放电对磁钢的损伤。

阴极顶板外环3采用拼接结构，使离子源安装和维护更加方便。

Claims (10)

1.一种增强磁场型线性离子源，其特征在于：包括呈长方形且顶部开有长环状贯通沟槽的阴极顶板和长条槽状的阴极外框(5)组成的盒状结构；所述阴极顶板上开有长环状贯通沟槽式环状离子引出开口(1)；所述盒状结构内部纵轴线上置有中央磁钢(20)，平行于所述中央磁钢(4)两侧且位于阴极外框(5)内壁处置有外围磁钢(4)，中央磁钢(20)和外围磁钢(4)之间形成环形放电槽；所述阴极外框(5)的底板上安装有绝缘支柱(15)，所述绝缘支柱(15)将长环状阳极(18)置于所述环形放电槽中，且使阳极(18)位于所述环状离子引出开口(1)下方；阴极外框(5)的底板上还设有气管(11)。

2.如权利要求1所述一种增强磁场型线性离子源，其特征在于：所述阳极(18)上表面与阴极顶板下表面之间的距离在5mm以上。

3.如权利要求1或2所述一种磁场增强型线性离子源，其特征在于：阴极顶板由阴极顶板内环(2)和阴极顶板外环(3)构成，阴极顶板内环(2)和阴极顶板外环(3)之间为环状离子引出开口(1)；阴极顶板内环(2)开设阴极顶板水冷通道(22)，阴极外框(5)的壁上开设阴极外框水冷通道(23)；所述阳极(18)中间开设阳极水冷通道(24)。

4.如权利要求1所述一种增强磁场型线性离子源，其特征在于：所述绝缘支柱(15)通过螺钉(12)固定在阴极外框(5)的底板上，所述螺钉(12)上设有密封端盖(13)。

5.如权利要求1所述一种磁场增强型线性离子源，其特征在于：所述阳极(18)与阴极之间采用阳极悬浮屏蔽罩(19)结构，阳极悬浮屏蔽罩(19)采用导磁碳钢或不锈钢材料。

6.如权利要求1所述一种磁场增强型线性离子源，其特征在于：所述中央磁钢(20)、外围磁钢(4)面向环形放电槽一侧设有挡板(16)。

7.如权利要求3所述一种增强磁场型线性离子源，其特征在于：在所述阴极外框(5)下方设有进气管(8)、阳极水冷管(9)和阴极水冷管(10)；所述进气管(8)与气管(11)连接，阳极水冷管(9)和阳极水冷通道(24)连接，阴极水冷管(10)和阴极顶板水冷通道(22)、阴极外框水冷通道(23)连接；且进气管(8)、阳极水冷管(9)和阴极水冷管(10)位于密封盒(7)内。

8.如权利要求3所述一种磁场增强型线性离子源，其特征在于：所述阴极顶板外环(3)采用拼接结构。

9.如权利要求1所述一种磁场增强型线性离子源，其特征在于：所述线性离子源的供电电源采用直流电源或脉冲中频电源。

10.如权利要求1所述一种磁场增强型线性离子源，其特征在于：所述中央磁钢(20)和外围磁钢(4)同时采用Nd-Fe-B永磁体材料。

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