CN103474318A - 溅射离子枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溅射离子枪，具有：气流方向调节装置、氩离子产生装置和聚焦透镜；氩离子产生装置的内部具有加载电压可调的电子加速栅网和与该电子加速栅网参考点位相关联的灯丝；电子加速栅网为一侧壁为金属网的圆管；电子加速栅网的前端为栅网阳极，后端为栅网阴极；通过调节加载在电子加速栅网上的电压控制氩离子沿该栅网轴向的运动速度，调节离子产生效率。本发明可以在进行表面刻蚀或深度分析时单独使用，提升离子枪表面处理效果的同时使得表面处理过程可调控。在进行样品表面的清洁处理或表面重构时可以采用离子溅射和真空退火反复循环处理。整套离子枪的用材完全适合超高真空环境的使用要求，可耐200℃以上的高温烘烤。

Description

溅射离子枪

技术领域

本发明涉及一种溅射离子枪，涉及专利分类号H01基本电气元件H01J放电管或放电灯H01J3/00通用于两种或两种以上基本类型的放电管或灯的电子光学或离子光学装置的零部件或离子阱的零部件H01J3/04离子枪。

背景技术

在当前的科学研究和工程应用中，表面科学正扮演着重要的角色，是新材料合成、材料的物理化学性质分析的基本环节，尤其在纳米尺度材料的制备和纳米制造领域发挥着重要的作用。获得和控制表面构造是表面科学的基础，更是纳米科技的前提。典型的表面处理手段有解离、退火和离子溅射，而退火和离子溅射几乎是表面分析仪器的标准配置，一般情况下选用质量大且不活泼的氩（Ar）离子溅射固体表面，清理表面杂质或反应层后再进行退火处理而实现表面重构，进而得到科学研究所需的表面。目前现有的表面离子枪结构如图9所示，主要由等离子产生器1、等离子喷嘴3两部分构成，其中等离子喷嘴3主要由第一开口2和第二开口4组成。结构很简单，没有离子产生数量控制装置、离子加速装置。离子化效率低，离子运动速度低，离子喷射时有方向偏差，处理过程不可调控，那么在进行材料表面处理时很难达到理想效果。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种溅射离子枪，具有：由外界气源引入氩气的气流方向调节装置、位于该调节装置前端的氩离子产生装置和最前端的聚焦透镜；

所述氩离子产生装置的内部具有加载电压可调的电子加速栅网、与该电子加速栅网参考电位相关联的灯丝和处于零电位离子加速栅网；

所述电子加速栅网为一侧壁为金属网的圆管；通过调节加载在电子加速栅网上的电压，控制氩离子产生的数量进而调节离子产生效率和离子的运动速度；

所述灯丝位于电子加速栅网圆管的外部，灯丝的两端分别连通电源；

所述离子加速栅网为一平面金属网，位于电子加速栅网的前端，与电子加速栅网的中心轴线垂直；

工作时，电子加速栅网和灯丝通电，电子加速栅网相对于所述处于零电位的离子加速栅网具有正高压，栅网之间形成电场；灯丝通电后发射电子，产生的电子在电子加速栅网作用下沿电子加速栅网的径向加速运动，轰击通过栅网的氩原子，使氩原子电离产生离子；所产生的离子被电子加速栅网和离子加速栅网之间的电场正高压加速，由前端的离子加速栅网输出，经由所述聚焦透镜聚焦后喷出。

所述聚焦透镜包括：三个串联的圆筒电极，圆筒电极之间采用Al₂O₃绝缘，位于中间的圆筒电极处于正高压，两侧的圆筒电极接地，处于零电位。

所述氩离子产生装置具有一筒状外壳，所述的电子加速栅网固定在所述的外壳中；该外壳前端具有一供所述热离子喷出的离子引导口，所述的离子加速栅网覆盖该离子引导口。

所述气流调节装置包括前端开口的外罩、调节所述氩离子产生装置和聚焦透镜的角度微调机构和与所述电子加速栅网轴向平行的氩气导入管；所述的氩气导入管与外界气源连通，将氩气吹送至所述的氩离子产生装置。

所述角度微调机构包括与外罩前端开口重合的波纹管、多个调节旋钮和与波纹管下端内壁固定连接的法兰；

所述离子发生装置通过法兰支撑杆与所述的波纹管底部的法兰连接；

所述的多个调节旋钮均匀分布在所述的外罩四周，贯穿所述外罩，调节旋钮的前端与所述的波纹管相连，通过调节调节旋钮深入外罩内的长度，控制所述波纹管的角度，微调所述离子发生装置和聚焦透镜的角度。

所述调节旋钮位于同一平面；调节旋钮之间形成角度相同。

所述电子栅网和灯丝之间的电压恒定位180V。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的溅射离子枪具有结构简单，使用方便等优点，可以在进行表面刻蚀或深度分析时单独使用，提升离子枪表面处理效果的同时使得表面处理过程可调控。在进行样品表面的清洁处理或表面重构时可以采用离子溅射和真空退火反复循环处理。整套离子枪的用材完全适合超高真空环境的使用要求，可耐200℃以上的高温烘烤。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明溅射离子枪的总体结构图

图2为本发明溅射离子枪的剖面图

图3为本发明离子产生、加速和聚焦构造的示意图

图4为本发明附图3的剖视图

图5为本发明聚焦透镜原理图

图6为本发明BNC电极的示意图

图7为本发明控制电源原理图

图8为本发明离子枪尾部BNC电极的原理图

图9为现有离子枪结构图

图10为本发明离子枪的工作状态示意图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-图4所示：一种溅射离子枪，主要包括：由外界气源引入氩气的气流方向调节装置、位于该调节装置前端的氩离子产生装置和最前端的聚焦透镜。

所述氩离子产生装置的内部具有加载电压可调的电子加速栅网、与该电子加速栅网参考电位相关联的灯丝和处于零电位离子加速栅网。

所述电子加速栅网为一侧壁为金属网的圆管；通过调节加载在电子加速栅网上的电压，控制氩离子产生的数量进而调节离子产生效率和离子的运动速度；

所述灯丝位于电子加速栅网圆管的外部，灯丝的两端分别连通电源；

所述离子加速栅网为一平面金属网，位于电子加速栅网的前端，与电子加速栅网的中心轴线垂直；

工作时，电子加速栅网和灯丝通电，电子加速栅网相对于所述处于零电位的离子加速栅网具有正高压，栅网之间形成电场；灯丝通电后发射电子，产生的电子在电子加速栅网作用下沿电子加速栅网的径向加速运动，轰击通过栅网的氩原子，使氩原子电离产生离子；所产生的离子被电子加速栅网和离子加速栅网之间的电场正高压加速，由前端的离子加速栅网输出，经由所述聚焦透镜聚焦后喷出。

为了能够有效的聚焦产生的离子束流，所述聚焦透镜主要包括：三个串联的圆筒电极，圆筒电极之间采用Al₂O₃绝缘，位于中间的圆筒电极处于正高压，两侧的圆筒电极接地，处于零电位。

所述电子加速栅网的前端具有一与该电子加速栅网垂直、增加离子束流指向性的离子加速栅网，该离子加速栅网加速由所述电子加速栅网阳极喷出的氩离子。

为了增加产生的离子的运动速度和运动角度，作为一个较佳的实施方式，所述氩离子产生装置具有一筒状外壳，所述的电子加速栅网固定在所述的外壳中；该外壳前端具有一供所述热离子喷出的离子引导口，所述的离子加速栅网覆盖该离子引导口。

为了能够微调所述的电子发生装置和聚焦透镜，作为一个较佳的实施方式所述气流调节装置包括前端开口的外罩、调节所述氩离子产生装置和聚焦透镜的角度微调机构和与所述电子加速栅网轴向平行的氩气导入管；所述的氩气导入管与外界气源连通，将氩气吹送至所述的氩离子产生装置。

所述角度微调机构包括与外罩前端开口重合的波纹管、多个调节旋钮和位于波纹管底部的法兰；所述离子发生装置通过法兰支撑管与所述的法兰连接；所述的多个调节旋钮均匀分布在所述的外罩四周，贯穿所述外罩，调节旋钮的前端与所述的波纹管相连，通过调节调节旋钮深入外罩内的长度，控制所述波纹管的角度，微调所述离子发生装置和聚焦透镜的角度。

实施例1：

一种溅射离子枪的底部主要有法兰41，氩气导入管43，电极44，BNC电极支撑杆45，电极46，BNC电极47以及外罩42。其中氩气导入管43与CF16法兰41采用焊接的方式连接。氩气导入管内径为10mm，管子另一端焊接的CF16法兰41通过一个气体流量微调阀后和气罐相连。离子枪底部的五个BNC电极穿过底部端板49在离子枪内部留有电极44。使用中将电极44电极46通过电缆对应相连。电极46在气流调节装置腔体中留有电极接头，将电极接头通过电缆分别与电子加速栅网电极28、24灯丝电极、212聚焦透镜高压电极相连。

如图1所示，气流方向调节装置的外罩11,底部焊接法兰14、顶部焊接法兰15，气流方向调节装置与底部外罩通过法兰14和法兰48相连。

气流方向调节装置的外罩11底部四周均布四个调节旋钮12，调节旋钮12内部与角度微调机构相连，角度微调机构内藏焊接波纹管13来实现真空密封和摆动驱动。将离子枪与真空腔体通过法兰15连击在一起，密封采用无氧铜垫圈来实现。

氩离子产生装置通过连接法兰盘支撑杆16、连接法兰盘211、支撑杆210与气流方向调节装置相连。图2所示，氩离子产生装置包括外罩21、钨灯丝22、电子加速栅网23、灯丝电极24、电子加速栅网底座25、前端盖26、下端盖27、电子加速栅网电极28、离子加速栅网29、支撑杆210以及连接法兰盘211。其中灯丝电极直径为0.1mm，用螺栓固定在下端盖27上，钨灯丝固定在灯丝电极上，灯丝连接在电子加速栅网上。同时灯丝中电流可调，调节范围为0mA～50mA，电子加速栅网选用不锈钢材质，线径0.1mm，间隔1mm绕指而成，同时施加在阳极栅网上的电压值设有四个选项，分别是500V、1000V、1500V、2000V，可根据实验需要选择相应的电压值。在前端盖26上设置有离子加速栅网29选用不锈钢材质，线径0.1mm，间隔1mm。

由图3和图4所示，聚焦透镜由三个互相绝缘的圆筒电极33、34和35构成，圆筒电极由内径17.8mm的不锈钢圆筒制成，电极之间用Al₂O₃绝缘，电极之间的距离为2mm。由图3所示，中间电极处于正高压，两侧电极接地而处于零电位。两侧电极分别由电极支撑杆31和36支撑在前端盖26上。中间电极由高压电极支撑杆32支撑在前端盖26上。其原理图如图3所示。从A点进入透镜的氩离子，到达中间电极之前被减速，穿过中间电极之后被加速到最初的能量，最后射出聚焦透镜。从A出发的离子在B点受到向外的力，在C点受到向内的力，因此在B点离子束发散，在C点离子束聚焦。虽然B和C点的力大小相同，但是靠近C点后氩离子的轴向速度减小，聚焦的效果大于发散的效果，氩离子穿过中间电极后，在D点聚焦，在E点发散，从整体效果看，离子束被聚焦。氩气导入口引入与热电子运动方向垂直的氩气，被加速的电子引起氩气原子周围的的电场发生剧烈的变换，促使氩原子按式（1）的过程失去一个电子而被离子化，最终形成离子。氩气原子的离子化效率取决于导入气体的种类、热电子的数量和能量，而电子的德布罗意波长和能量的关系可由以下公式导出：

M+e^-→M⁺+2e^-    （1）

E＝qU    （2）

P＝h/λ    （3）

E＝mv²/2    （4）

P＝mv    （5）

$\mathrm{\λ}\stackrel{o}{\left(A\right)}=\sqrt{150.4/E\left(\mathrm{eV}\right)}---\left(6\right)$

由上述公式可计算得到，当电压差为180V时，电子的德布罗意波长为0.91埃，这和氩离子的半径一致，在这种情况下氩原子的离子化率大约千分之一。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种溅射离子枪，具有：由外界气源引入氩气的气流方向调节装置、位于该调节装置前端的氩离子产生装置和最前端的聚焦透镜；

所述氩离子产生装置的内部具有加载电压可调的电子加速栅网、与该电子加速栅网参考电位相关联的灯丝和处于零电位离子加速栅网；

所述电子加速栅网为一侧壁为金属网的圆管；通过调节加载在电子加速栅网上的电压，控制氩离子产生的数量进而调节离子产生效率和离子的运动速度；

所述灯丝位于电子加速栅网圆管的外部，灯丝的两端分别连通电源；

所述离子加速栅网为一平面金属网，位于电子加速栅网的前端，与电子加速栅网的中心轴线垂直；

工作时，电子加速栅网和灯丝通电，电子加速栅网相对于所述处于零电位的离子加速栅网具有正高压，栅网之间形成电场；灯丝通电后发射电子，产生的电子在电子加速栅网作用下沿电子加速栅网的径向加速运动，轰击通过栅网的氩原子，使氩原子电离产生离子；所产生的离子被电子加速栅网和离子加速栅网之间的电场正高压加速，由前端的离子加速栅网输出，经由所述聚焦透镜聚焦后喷出。

2.根据权利要求1所述的一种溅射离子枪，其特征还在于：所述聚焦透镜包括：三个串联的圆筒电极，圆筒电极之间采用Al₂O₃绝缘，位于中间的圆筒电极处于正高压，两侧的圆筒电极接地，处于零电位。

3.根据权利要求1所述的一种溅射离子枪，其特征还在于：所述氩离子产生装置具有一筒状外壳，所述的电子加速栅网固定在所述的外壳中；该外壳前端具有一供所述热离子喷出的离子引导口，所述的离子加速栅网覆盖该离子引导口。

4.根据权利要求1所述的一种溅射离子枪，其特征还在于：所述气流调节装置包括前端开口的外罩、调节所述氩离子产生装置和聚焦透镜的角度微调机构和与所述电子加速栅网轴向平行的氩气导入管；所述的氩气导入管与外界气源连通，将氩气吹送至所述的氩离子产生装置。

5.根据权利要求4所述的一种溅射离子枪，其特征还在于：所述角度微调机构包括与外罩前端开口重合的波纹管、多个调节旋钮和与波纹管下端内壁固定连接的法兰；

所述离子发生装置通过法兰支撑杆与所述的波纹管底部的法兰连接；

所述的多个调节旋钮均匀分布在所述的外罩四周，贯穿所述外罩，调节旋钮的前端与所述的波纹管相连，通过调节调节旋钮深入外罩内的长度，控制所述波纹管的角度，微调所述离子发生装置和聚焦透镜的角度。

6.根据权利要求5所述的一种溅射离子枪，其特征还在于：所述调节旋钮位于同一平面；调节旋钮之间形成角度相同。

7.根据权利要求1所述的一种溅射离子枪，其特征还在于：所述电子栅网和灯丝之间的电压恒定位180V。

Images