CN102796987A

CN102796987A - 一种气体离子源装置

Info

Publication number: CN102796987A
Application number: CN2012102993274A
Authority: CN
Inventors: 王晓光
Original assignee: SHENYANG HUAXUN VACUUM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENYANG HUAXUN VACUUM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: CN102796987B

Abstract

一种气体离子源装置，其阳极由封闭的正面阳极和背面阳极构成阳极腔体，阴极由封闭的正面阴极和背面阴极构成阴极腔体；阴极腔体置于阳极腔体中，背面阴极与背面阳极构成气体放电离化室；阴极腔体中置有磁场发生装置，磁场发生装置与阴极腔体间空隙为冷却介质通道；在阴极腔体上有对应被加热工件的能量离子引出孔道，正面阳极上有对应孔道的孔洞。该装置将磁控溅射产生的气体离子一部分用于轰击阴极产生维持辉光放电的二次电子，另一部分通过孔道和孔洞引出轰击加热置于离子源外部的工件；离子束总密度可达安培级，可满足大尺寸基片工件高温加热需要；装置和被加热工件可移动，使工件不同部位加热均匀；能量离子密度可根据需要通过调节溅射电流密度改变。

Description

一种气体离子源装置

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术，特别是一种加热真空镀膜基片用密度均匀的大束流气体离子源装置。

背景技术

目前在真空镀膜技术中，实验或生产所用待镀基片一般需要进行加热处理，以获得某种适合薄膜生长的工艺要求。现有基片的加热方式大多采用电阻加热，少部分采用激光、频率偶合、电子束或离子束轰击等加热方法。

目前国内外普遍使用的气体离子源装置，是靠热阴极材料被加热后发射热电子流在电场中碰撞充入的气体分子，以获得气体离化离子。由于普通的热电子发射数量均在毫安级以下，所以得到的气体离化离子密度也相应较小，而且使用的能量离子还要通过引出电极组引出，故用这种离子源装置产生的小束流离子束多被用于基片材料的表面清洗或高能离子注入等用途；用于轰击加热真空镀膜基片，仅适用于小样品，且只能达到中等温度的加热情况。另外，由于该类源装置的结构性局限，所生成的离子束流密度不均匀，导致被加热基片上存在明显的温度差异，使基片材料的过温点区域性能失效。因此，这种离子源装置不能满足大尺寸基片、高温度加热要求。

由于能量离子的质能远大于能量电子，只要提高能量离子在基片上的单位时间轰击积累量或能量离子的单位时间撞击积累量，就会使基片或基片区域获得很高的温度。如能使能量离子轰击基片的单位密度均匀性、且单位时间的累积能量大幅度提高，则采用离子束轰击获得基片所在区域的加热方式，与目前普遍使用的电阻加热和电子束轰击加热方式相比，具有加热速度快、均匀性好、可不受热阻材料限制而获得很高温度等明显优势。

针对加热大尺寸基片所用的能量离子流，总体束流密度要在安培级以上，并且其密度分布必须均匀。

众所周知，采用磁控溅射技术可以获得大束流、密度均匀的能量离子。该技术生成密度均匀的大束流能量离子是靠用于离化气体的二次电子及阴极表面的正交电磁场来完成。气体能量离子对阴极表面撞击，产生离化气体分子用的二次电子，正交电磁场限制二次电子的逃逸和其运动的不均匀性，使其在阴极表面正交电磁场空间中螺旋运动，多次碰撞并离化气体分子，被离化的气体能量离子继续轰击阴极表面，再产生二次电子，通过如此正向反馈过程，使其达到一个平衡点。

虽然磁控溅射技术从原理上可以被用来实现获得均匀分布的大束流能量离子，但仍然不能被用来加热大面积基片并获得高温。其原因是：使能量离子轰击阴极表面获得二次电子的另一个条件是阴极表面温度必须较低，如果不采取技术措施将被能量离子轰击加热的阴极表面温度降下来，阴极材料被加热到一定程度后,就不能通过离子轰击再产生二次电子，这样维持等离子体继续放电的二次电子密度下降，直至不能维持继续放电，气体能量离子的产额也随之降为零，对基片区域的加热也随之停止。这就是现有磁空溅射技术不能直接用于基片高温加热的原因。

因此，要利用磁控溅射技术获得的大束流、密度均匀的离子轰击加热基片，必须解决在大束流能量离子轰击加热基片过程中，使二次电子与能量离子之间的正反馈关系能够维持。目前，关于这方面的技术和装置尚未见报导。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种气体离子源装置，该装置能够持续生成密度均匀的大束流气体能量离子，且气体能量离子的密度可变化，同时装置还可做成多种形状，以满足不同待加热工件区域、不同表面的加热要求。

为实现上述目的，本发明提供的气体离子源装置，包括阳极、阴极和磁场发生装置；其特征在于：所述阳极为由周边封闭的正面阳极和背面阳极构成的阳极腔体，背面阳极上有充气机构；所述阴极为由周边封闭的正面阴极和背面阴极构成的阴极腔体；阴极腔体置于阳极腔体中，阴极腔体的背面阴极与阳极腔体的背面阳极构成气体放电离化室；阴极腔体中置有磁场发生装置，磁场发生装置与阴极腔体间的空隙为冷却介质通道，阴极腔体两端分别设有绝缘的冷却介质入口和出口；对应被加热工件，在阴极腔体上有多个穿越阴极腔体、相互均匀间隔分布的能量离子引出孔道，在阳极腔体的正面阳极上开设有对应该能量离子引出孔道的孔洞，能量离子通过孔道和孔洞引出，轰击加热工件。

为适应不同工件区域的气体离子轰击加热需要，所述阳极腔体和阴极腔体可做成以下不同形式结构：

1、所述阳极腔体和阴极腔体为相互平行的方形结构。

2、所述阳极腔体和阴极腔体为同轴分布的圆筒形结构；阳极腔体的正面阳极在内，背面阳极在外；阴极腔体的正面阴极在内，背面阴极在外；被加热工件置于圆筒的内部。

3、所述阳极腔体和阴极腔体为同轴分布的圆筒形结构；阳极腔体的正面阳极在外，背面阳极在内；阴极腔体的正面阴极在外，背面阴极在内；被加热工件置于圆筒的外部。

4、所述阳极腔体和阴极腔体为同心分布的空心球形结构，并由两个半空心球体通过点或线状的可拆分连接件合并组成；阳极腔体的正面阳极在内，背面阳极在外；阴极腔体的正面阴极在内，背面阴极在外；被加热工件置于球的空心内。

5、所述阳极腔体和阴极腔体为同心分布的空心球形结构，并由两个半空心球体通过点或线状的可拆分连接件合并组成，阳极腔体的正面阳极在外，背面阳极在内；阴极腔体的正面阴极在外，背面阴极在内；被加热工件置于球的外部。

本发明气体离子源装置的操作使用方法及工作原理是：

1、将待加热工件通过传送装置送到气体离子源装置设定的工件加热区域，并将工件与电源V2阴极连接。

2、将充气机构与外部气源连通，然后给气体放电离化室充气至放电气压；

3、将阳极腔体分别与电源V1和电源V2的阳极连接，阴极腔体与电源V1的阴极连接，通过电源V1和V2向阴极腔体和阳极腔体通入电压、电流，同时通过冷却介质入口和出口向冷却介质通道内通入冷却介质，磁场发生装置在阴极腔体的外阴极表面形成正交电磁场，通过电压V1形成等离子体放电，气体放电离化室的气体被等离子放电过程所离化，离化产生的气体能量离子一部分溅射到外阴极的表面，维持等离子体持续放电（外阴极在冷却介质作用下温度不会上升），另一部分气体能量离子通过阴极腔体上的能量离子引出孔道和阳极腔体上对应的孔洞，在阳极与阴极之间的电场V1和阳极与基片工件之间的电场V2的共同作用下，直接轰击到基片工件区域，通过轰击离子对基片工件区域所释放能量的积累，对该基片区域进行加热处理。由于本发明装置被加热基片不作为维持等离子放电的阴极部件，其温度升高并不影响气体离子源装置工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明气体离子源装置将磁控溅射技术所能产生的大量气体离子通过特有的阳极和阴极结构将其一部分用于轰击阴极产生维持辉光放电的二次电子，另一部分则从离子源装置中引出，用于轰击加热置于离子源外部的被加热工件；引出的离子束总密度可达安培级以上，可满足大尺寸基片工件区域的加热需要，且可在基片工件区域获得很高的温度。

2、本发明装置轰击工件的能量离子的质能远远大于电子的质能，且分布均匀，故比电子束加热既快速，又均匀。

3、本发明装置和被加热工件均可单独移动或转动，也可作相对运动，从而可满足不同工件、不同部位的均匀加热。

4、本发明装置可根据需要通过调节溅射电流密度改变气体能量离子的密度。

5、本发明装置结构简单，维修简便，操作容易，性能稳定。

附图说明

附图为本发明不同实施例的结构示意图，其中：

图1为本发明下述实施例1（阳极腔体和阴极腔体采取相互平行的方形结构）气体离子源装置的横向剖视图；

图2为本发明下述实施例2（阳极腔体和阴极腔体采取同轴分布的圆筒形结构、被加热工件置于圆筒内）气体离子源装置的轴向剖视图；

图3为图2装置的径向截面视图；

图4为本发明下述实施例3（阳极腔体和阴极腔体采取同轴分布的圆筒形结构、被加热工件置于圆筒外）气体离子源装置的轴向剖视图；

图5为图4装置的径向截面视图；

图6为本发明下述实施例4（阳极腔体和阴极腔体采取同心分布的空心球形结构、被加热工件置于球的空心内）气体离子源装置沿其中心的截面视图；

图7为本发明下述实施例5（阳极腔体和阴极腔体采取同心分布的空心球形结构、被加热工件置于球的外部）气体离子源装置沿其中心的截面视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本实施例气体离子源装置，如图1所示，其阳极腔体和阴极腔体均为相互平行的方形结构，其中阳极腔体由两端相互连接的背面阳极1-1和正面阳极1-17构成，在背面阳极1-1上安装充气机构1-3和阳极接线端子1-10；阴极腔体由两端相互连接的背面阴极1-2和正面阴极1-12构成，其平行安装在阳极腔体中，正面阴极与正面阳极之间仅保持屏蔽距离，在背面阴极的两端各置有一端部阳极屏蔽层1-9，用以保证背面阴极端部不产生等离子体溅射，阴极腔体的背面阴极1-2与阳极腔体的背面阳极1-1形成气体放电离化室1-5；磁场发生装置1-8安装在阴极腔体内，与阴极腔体之间的空隙作为冷却介质通道1-16，阴极腔体的一端设有冷却介质入口1-18，另一端设有冷却介质出口1-19，冷却介质通过冷却介质出入口与装置外部的冷却机构绝电连通；在阴极腔体上沿垂直方向开设均布的圆形能量离子引出孔道1-7；对应阴极腔体上的能量离子引出孔道的孔位，在阳极腔体的正面阳极上开设圆形孔洞1-15，被加热工件1-13置于正面阳极孔洞的对侧，阴极腔体的一端有阴极接线端子1-11。

本实施例气体离子源装置适用于平面工件的加热，使用时，将待加热工件置于正面阳极孔洞的对侧，将背面阳极上的充气机构与外部气源连通，向气体放电离化室内充气至放电气压，将电源V1、V2的阳极与阳极接线端子相接；电源V1、V2的阴极分别与阴极接线端子和工件相接，同时将冷却介质通过冷却介质入口和出口通入冷却介质通道内，背面阳极和背面阴极在直流电场V1作用下产生辉光放电，使充入气体放电离化室的气体被等离子放电离化，磁场发生装置和电压V1在背面阴极表面形成正交电磁场1-6，离化产生的气体能量离子1-4一部分溅射到背面阴极的表面，维持等离子体持续放电，另一部分1-14通过阴极腔体上的能量离子引出孔道和正面阳极上对应的能量离子引出孔洞，在阳极与阴极之间的电场V1和阳极与基片工件之间的电场V2的共同作用下，直接轰击到基片工件的表面，通过轰击离子对基片工件所释放能量的积累，进行对该基片区域的加热处理。

实施例2

本实施例气体离子源装置，如图2和图3所示，其阳极腔体和阴极腔体采取同轴分布的圆筒形结构，被加热工件2-13置于圆筒的内部。阳极腔体由圆筒形背面阳极2-1和圆筒形正面阳极2-17两端封闭构成，正面阳极在内，背面阳极在外；阴极腔体由圆筒形背面阴极2-2和圆筒形正面阴极2-12两端封闭构成，正面阴极在内，背面阴极在外；阴极腔体置于阳极腔体中，正面阴极与正面阳极之间仅保持屏蔽距离，背面阴极的两端各有一阳极屏蔽筒2-9插入其上，以保证背面阴极端部不产生等离子体溅射，背面阴极与背面阳极之间形成气体放电离化室2-5，在背面阳极板上安装充气机构2-3和阳极接线端子2-10；磁场发生装置2-8位于正面阴极和背面阴极之间，阴极腔体与磁场发生装置之间的空隙为冷却介质通道2-16，冷却介质通道的冷却介质入口2-18和冷却介质出口2-19通过绝缘管道与装置外部连通；在圆筒形阴极腔体上沿径向有均匀间隔分布的能量离子引出孔道2-7，在正面阳极上有与其对应的能量离子引出孔洞2-15，阴极腔体的一端有阴极接线端子2-11。

本实施例气体离子源装置适用于柱形工件的外表面加热，使用时，将待加热工件置于圆筒轴向中心部位，将背面阳极上的充气机构与外部气源连通，向气体放电离化室内充气至放电气压，将电源V1、V2的阳极与阳极接线端子2-10相接，电源V1、V2的阴极分别与阴极接线端子和工件相接，同时将冷却介质通过冷却介质入口和出口通入冷却介质通道内，背面阳极和背面阴极在直流电场V1作用下产生辉光放电，使充入气体放电离化室的气体被等离子放电离化，磁场发生装置和电压V1在背面阴极表面形成正交电磁场2-6，离化产生的能量气体离子2-4一部分溅射到背面阴极的表面，维持等离子体持续放电，另一部分能量气体离子2-14通过阴极腔体上的能量离子引出孔道和正面阳极腔体上对应的能量离子引出孔洞，在阳极与阴极之间的电场V1和阳极与基片工件之间的电场V2的共同作用下，直接轰击到工件四周的各个表面，通过轰击离子对工件所释放能量的积累，进行对该基片区域的加热处理。

实施例3

本实施例气体离子源装置，如图4和图5所示，其阳极腔体和阴极腔体与实施例2相同，也是采取同轴分布的圆筒形结构，与实施例2不同之处是：构成阳极腔体的圆筒形正面阳极3-1在外，背面阳极3-17在内；构成阴极腔体的圆筒形正面阴极3-2在外，背面阴极3-12在内；被加热工件3-13置于圆筒的外部。该装置的阴极腔体置于阳极腔体中，背面阴极与背面阳极之间仅保持屏蔽距离，背面阴极的两端各有一个阳极屏蔽筒3-9插入其上，以保证背面阴极端部不产生等离子体溅射，背面阴极与背面阳极之间形成气体气体放电离化室3-5，在阳极腔体的一端，对应气体放电离化室安装有充气机构3-3；磁场发生装置3-8位于正面阴极和背面阴极之间，阴极和磁场发生装置之间的空隙为冷却介质通道3-16，冷却介质通道的冷却介质入口3-18和冷却介质出口3-19通过绝缘管道与装置外部连通；在圆筒形阴极腔体上沿径向有均匀间隔分布的能量离子引出孔道3-7，在正面阳极上有与其对应的孔洞3-15，阴极腔体的一端有阴极接线端子3-11。

本实施例气体离子源装置适用于柱形工件的内表面加热，使用时，将待加热工件置于圆筒的外部，将充气机构与外部气源连通，向气体放电离化室内充气至放电气压，将电源V1、V2阳极与阳极接线端子3-10相接，电源V1、V2阴极分别与阴极接线端子和被加热工件相接；同时将冷却介质通过冷却介质入口和出口通入冷却介质通道内，背面阳极和背面阴极在直流电场V1作用下产生辉光放电，使充入气体放电离化室的气体被等离子放电离化，磁场发生装置和电压V1在正面阴极表面形成正交电磁场3-6，离化产生的能量气体离子3-4一部分溅射到正面阴极的表面，维持等离子体持续放电，另一部分能量气体离子3-14通过阴极腔体上的能量离子引出孔道和正面阳极与其对应的能量离子引出孔洞，在阳极与阴极之间的电场V1和阳极与基片工件之间的电场V2的共同作用下，直接轰击到工件的内表面，通过轰击离子对工件所释放能量的积累，进行对该基片区域的加热处理。

实施例4

本实施例气体离子源装置，如图6所示，其阳极腔体和阴极腔体均采取同心分布的空心球形结构，由两个半空心球体通过点或线状的可拆分连接件4-20将其合并为一个空心球结构，阴极腔体同心安装在阳极腔体中，被加热工件4-13置于球的空心内。阳极腔体总体由相互连接的球形背面阳极4-1和球形正面阳极4-17构成，正面阳极在内，背面阳极在外，在背面阳极上安装充气机构4-3和阳极接线端子4-10；阴极腔体由相互连接的背面阴极4-2和正面阴极4-12构成，正面阴极在内，背面阴极在外；阴极腔体的背面阴极与阳极腔体的背面阳极形成气体放电离化室4-5；磁场发生装置4-8安装在阴极腔体内，与阴极腔体之间的空隙作为冷却介质通道4-16，阴极腔体的一端设有冷却介质入口（图中未显示），对应端设有冷却介质出口（图中未显示），冷却介质通过冷却介质出入口与装置外部的冷却机构绝电连通；在阴极腔体上开设均布的空间放射状能量离子引出孔道4-7；对应阴极腔体上的能量离子引出孔道，在阳极腔体的正面阳极上开设孔位对应的圆形孔洞4-15。

本实施例气体离子源装置适用于加热各种异形工件的外表面区域或在该区域获得超高温的加热性质；使用时将加热工件置于装置的内部，将充气机构与外部气源连通，向气体放电离化室内充气至放电气压，将电源V1、V2的阳极与阳极接线端子相接，电源V1、V2的阴极分别与阴极接线端子4-11和工件相接，同时将冷却介质通过冷却介质入口和出口通入冷却介质通道内，背面阳极和背面阴极在直流电场V1作用下产生辉光放电，使充入气体放电离化室的气体被等离子放电离化，磁场发生装置和电压V1在背面阴极表面形成正交电磁场4-6，离化产生的能量气体离子4-4的一部分溅射到背面阴极的表面，维持等离子体持续放电，另一部分4-14通过阴极腔体上的能量离子引出孔道和正面阳极上对应的能量离子引出孔洞，在阳极与阴极之间的电场V1和阳极与基片工件之间的电场V2的共同作用下，直接轰击到基片工件的表面，通过轰击离子对基片工件所释放能量的积累，进行对该基片区域的加热处理。

实施例5

本实施例气体离子源装置，如图7所示，其阳极腔体和阴极腔体与实施例4相同，其阳极腔体和阴极腔体均采取同心分布的空心球形结构，由两个半空心球体通过点或线状的可拆分连接件5-20将其合并为一个空心球结构，阴极腔体同心安装在阳极腔体中。与实施例4不同之处在于阳极腔体的正面阳极5-1在外，背面阳极5-17在内；阴极腔体的正面阴极5-2在外，背面阴极5-12在内，被加热工件5-13置于球体的外部。充气机构5-3和阳极接线端子5-10安装在背面阳极上；阴极腔体的背面阴极与阳极腔体的背面阳极形成气体放电离化室5-5；磁场发生装置5-8安装在阴极腔体内，与阴极腔体之间的空隙作为冷却介质通道5-16，阴极腔体的一端设有冷却介质入口（图中未显示），对应端设有冷却介质出口（图中未显示），冷却介质通过冷却介质出入口与装置外部的冷却机构绝电连通；在阴极腔体上开设均布的空间放射状能量离子引出孔道5-7；对应阴极腔体上的能量离子引出孔道，在阳极腔体的正面阳极上开设孔位对应的圆形孔洞5-15。

本实施例气体离子源装置适用于加热各种异形工件的内表面区域；使用时将加热工件置于装置的外部，将充气机构与外部气源连通，向气体放电离化室内充气至放电气压，将电源V1、V2的阳极与阳极接线端子相接，电源V1、V2的阴极分别与阴极接线端子5-11和工件相接，同时将冷却介质通过冷却介质入口和出口通入冷却介质通道内，背面阳极和背面阴极在直流电场V1作用下产生辉光放电，使充入气体放电离化室的气体被等离子放电离化，磁场发生装置和V1电压在背面阴极表面形成正交电磁场5-6，离化产生的能量气体离子5-4的一部分溅射到背面阴极的表面，维持等离子体持续放电，另一部分能量气体离子5-14通过阴极腔体上的能量离子引出孔道和正面阳极上对应的能量离子引出孔洞，在阳极与阴极之间的电场V1和阳极与基片工件之间的电场V2的共同作用下，直接轰击到基片工件的表面，通过轰击离子对基片工件所释放能量的积累，进行对该基片区域的加热处理。

需要说明的是，本发明气体离子源装置，其形状不限于以上实施例；其应用范围也不只限于真空镀膜基片加热使用，也可作为某些气体、液体或其它物质高温加热用离子源装置。凡是根据本发明的原理和技术构思制做除以上实施例以外的其它形状的气体离子源装置和将本发明气体离子源装置作为除镀膜基片加热以外的其它用途均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种气体离子源装置，包括阳极、阴极和磁场发生装置；其特征在于：所述阳极为由周边封闭的正面阳极和背面阳极构成的阳极腔体，背面阳极上有充气机构；所述阴极为由周边封闭的正面阴极和背面阴极构成的阴极腔体；阴极腔体置于阳极腔体中，阴极腔体的背面阴极与阳极腔体的背面阳极构成气体放电离化室；阴极腔体中置有磁场发生装置，磁场发生装置与阴极腔体间的空隙为冷却介质通道，阴极腔体两端分别设有绝缘的冷却介质入口和出口；对应被加热工件，在阴极腔体上有多个穿越阴极腔体、相互均匀间隔分布的能量离子引出孔道，在阳极腔体的正面阳极上开设有对应该能量离子引出孔道的孔洞，能量离子通过孔道和孔洞引出，轰击加热工件。

2.根据权利要求1所述的气体离子源装置，其特征在于：所述阳极腔体和阴极腔体为相互平行的方形结构。

3.根据权利要求1所述的气体离子源装置，其特征在于：所述阳极腔体和阴极腔体为同轴分布的圆筒形结构；阳极腔体的正面阳极在内，背面阳极在外；阴极腔体的正面阴极在内，背面阴极在外；被加热工件置于圆筒的内部。

4.根据权利要求1所述的气体离子源装置，其特征在于：所述阳极腔体和阴极腔体为同轴分布的圆筒形结构；阳极腔体的正面阳极在外，背面阳极在内；阴极腔体的正面阴极在外，背面阴极在内；被加热工件置于圆筒的外部。

5.根据权利要求1所述的气体离子源装置，其特征在于：所述阳极腔体和阴极腔体为同心分布的空心球形结构，并由两个半空心球体通过点或线状的可拆分连接件合并组成；阳极腔体的正面阳极在内，背面阳极在外；阴极腔体的正面阴极在内，背面阴极在外；被加热工件置于球的空心内。

6.根据权利要求1所述的气体离子源装置，其特征在于：所述阳极腔体和阴极腔体为同心分布的空心球形结构，由两个半空心球体通过点或线状的可拆分连接件合并组成；阳极腔体的正面阳极在外，背面阳极在内；阴极腔体的正面阴极在外，背面阴极在内；被加热工件置于球的外部。