CN103887133B - 一种磁场增强型线性大面积离子源 - Google Patents

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本发明公开了一种磁场增强型线性大面积离子源，阴极顶板设置于阴极框体的顶部开口处，环形离子束引出口开设在阴极顶板上，环形阳极固定在绝缘支柱上，环形阳极和绝缘支柱位于阴极框体内，绝缘支柱的底部设置于阴极框体上，环形离子束引出口位于环形阳极之上，环形离子束引出口和环形阳极形状位置相匹配，气体电离室设置于环形阳极上表面和环形离子束引出口之间，条形磁钢设置于环形阳极的环形开口内，所述阴极框体、环形阳极、阴极顶板上分别设有冷水管；阴极框体的底部开设通气管道，所述通气管道设置于环形阳极和条形磁钢之间。合适的气室空间和均匀分布的气孔与的输气通道；对阳极、阴极、磁场同时水冷，确保温度不会太高也防止出现退磁。

Description

一种磁场增强型线性大面积离子源
技术领域
本发明涉及一种使用离子束清洗、刻蚀和辅助沉积的离子源，尤其涉及的是一种磁场增强型线性大面积离子源。
背景技术
在真空离子镀膜PVD技术生产过程中，需要借助外来高能粒子，对整个生产过程的基体清洗、靶材刻蚀以及沉积过程进行协助。利用离子源产生离子束，是当前运用较多的技术方法。离子束的效率和质量，直接关系到PVD技术产品的质量和生产效率。
离子源主要实现两个功能：一是完成某种气体介质的有效电离，生成浓度足够的等离子体，以满足抽取束流密度的需要；二是从等离子体边界抽取、加速、聚焦形成大面积均匀的离子束，实现这种功能的离子源部件，即离子引出系统。这种线性离子源不需要电子发射器（如灯丝等），所以适合于放电气体中含有氧、氢以及带有腐蚀性气体的工况，可以避免因电子发射器损坏而使离子源无法正常工作的缺点。线性离子源离子束能量范围很宽，且结构简单，设计成本低，因此广泛应用于工业镀膜中。
通常的线性离子源的气体是从气瓶通过气管直接输送到电离室，这样电离室内气压较大，来不及电离就离开电离室了，从而得到的离子束电离度较低。磁钢长期在高温下工作，影响其寿命，且磁场强度也会受到影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种磁场增强型线性大面积离子源，能持续实现在恶劣的镀膜环境下长时间稳定的工作。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括阴极顶板、阴极框体、环形阳极、绝缘支柱、条形磁钢、气体电离室和环形离子束引出口；所述阴极顶板设置于阴极框体的顶部开口处，环形离子束引出口开设在阴极顶板上，环形阳极固定在绝缘支柱上，环形阳极和绝缘支柱位于阴极框体内，绝缘支柱的底部设置于阴极框体上，环形离子束引出口位于环形阳极之上，环形离子束引出口和环形阳极形状位置相匹配，气体电离室设置于环形阳极上表面和环形离子束引出口之间，条形磁钢设置于环形阳极的环形开口内，条形磁钢、环形阳极和阴极顶板构成了环形放电槽；所述阴极框体、环形阳极、阴极顶板上分别设有冷水管；阴极框体的底部开设通气管道，所述通气管道设置于环形阳极和条形磁钢之间。
所述环形离子束引出口的剖面包括倒梯形和长方形，倒梯形的短底边和长方形连接，长方形位于环形阳极的上表面之上；所述倒梯形的两个斜边相互垂直。长方形口可以起到束流的作用，防止等离子体太过分散，等离子因撞击外壁而导致过多损耗，倒梯形则可以减少这种损耗。
位于环形离子束引出口之内的阴极顶板为阴极内环，位于环形离子束引出口之外的阴极顶板为阴极外环，阴极内环上设有冷水管，阴极外环与阴极框体连接，阴极框体内设有冷水管，环形阳极的环体内设有冷水管。通过冷水管对环形阳极、阴极内环和阴极框体进行冷却，阴极外环通过与阴极框体的接触实现传热冷却，实现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。
所述气体电离室的高度为3～5mm。即环形阳极的上表面和阴极顶板的下表面的距离为3～5mm，减小了由于环形阳极的上表面与环形离子束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，而距离过远也易造成气体因电场强度过低而不能充分电离。
作为本发明的优选方式之一，所述阴极框体的内部开设多个沉孔，绝缘支柱的底部嵌入在所述沉孔内。
作为本发明的优选方式之一，所述阴极顶板与阴极框体通过螺栓相连，环形阳极和绝缘支柱通过螺栓相连。
所述阴极框体的底部设有气体缓冲装置，所述气体缓冲装置包括相互连接的一级缓冲室和二级缓冲室，一级缓冲室上设有一级进气口和一级出气口，二级缓冲室上设有二级进气口和二级出气口，一级进气口位于一级缓冲室的底部，一级出气口位于一级缓冲室的顶部，一级出气口向缓冲室内凸起且位于一级进气口的两侧，二级进气口和一级出气口重合，二级进气口位于二级缓冲室的底部，二级出气口位于二级缓冲室的顶部，二级进气口位于二级出气口的两侧，二级出气口和阴极框体的通气管道相连。
作为本发明的优选方式之一，所述条形磁钢为Nd-Fe-B永磁体。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明整个环形区域都可以实现电离，工作面积大，效率高；确保进气均匀，合适的气室空间和均匀分布的气孔与的输气通道；均匀的磁场排布使用条形磁铁，确保磁场均匀分布；电、磁场处于正交位置；气体电离室的区域空间能依据条件适当地调节；充足的水冷条件，对阳极、阴极、磁场同时水冷，确保温度不会太高也防止出现退磁；结构简单，拆装方便，易于维护。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是气体电离室的局部示意图；
图4是本发明的俯视图；
图5是气体缓冲装置的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1～4所示，本实施例的线性离子源包括阴极顶板1、阴极框体2、环形阳极3、绝缘支柱4、条形磁钢5、气体电离室6和环形离子束引出口7；所述阴极顶板1设置于阴极框体2的顶部开口处，环形离子束引出口7开设在阴极顶板1上，环形阳极3固定在绝缘支柱4上，环形阳极3和绝缘支柱4位于阴极框体2内，绝缘支柱4的底部设置于阴极框体2上，环形离子束引出口7位于环形阳极3之上，环形离子束引出口7和环形阳极3形状位置相匹配，气体电离室6设置于环形阳极3上表面和环形离子束引出口7之间，条形磁钢5设置于环形阳极3的环形开口内，条形磁钢5为Nd-Fe-B永磁体；条形磁钢5、环形阳极3和阴极顶板1构成了环形放电槽，阴极顶板1和阴极框体2构成了整个线性离子源的外壳；所述阴极框体2、环形阳极3、阴极顶板1上分别设有冷水管8；阴极框体2的底部开设通气管道9，所述通气管道9设置于环形阳极3和条形磁钢5之间。位于环形离子束引出口7之内的阴极顶板1为阴极内环11，位于环形离子束引出口7之外的阴极顶板1为阴极外环12，阴极内环11上设有冷水管8，阴极外环12与阴极框体2连接，阴极框体2内设有冷水管8，环形阳极3的环体内设有冷水管8。通过冷水管8对环形阳极3、阴极内环11和阴极框体2进行冷却，阴极外环12通过与阴极框体2的接触实现传热冷却，实现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。
所述环形离子束引出口7的剖面包括倒梯形和长方形，倒梯形的短底边和长方形连接，长方形位于环形阳极3的上表面之上；所述倒梯形的两个斜边相互垂直。
所述气体电离室6的高度为3～5mm。即环形阳极3的上表面和阴极顶板1的下表面的距离为3～5mm，减小了由于环形阳极3的上表面与环形离子束引出口7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，而距离过远也易造成气体因电场强度过低而不能充分电离。
所述阴极框体2的内部开设多个沉孔21，绝缘支柱4的底部嵌入在所述沉孔21内。阴极框体2的底部开设多个通孔，用于使通气管道9和冷水管8穿过。
所述阴极顶板1与阴极框体2通过螺栓10相连，环形阳极3和绝缘支柱4通过螺栓10相连，所述螺栓10上均设有密封端盖，以确保密封效果。
所述阴极框体2的底部设有气体缓冲装置，所述气体缓冲装置包括相互连接的一级缓冲室22和二级缓冲室23，一级缓冲室22上设有一级进气口221和一级出气口222，二级缓冲室23上设有二级进气口231和二级出气口232，一级进气口221位于一级缓冲室22的底部，一级出气口222位于一级缓冲室22的顶部，一级出气口222向缓冲室内凸起且位于一级进气口221的两侧，二级进气口231和一级出气口222重合，二级进气口231位于二级缓冲室23的底部，二级出气口232位于二级缓冲室23的顶部，二级进气口231位于二级出气口232的两侧，二级出气口232和阴极框体2的通气管道9相连。
气体缓冲装置的引入，使流经气体电离室6的气体更加均匀缓慢，大大增加了气体的电离度。如图5所示，图上箭头为气体流向，气体通过气管流入一级缓冲室22，首先撞到钢板上反弹，再通过凸起的一级出气口222流入二级缓冲室23。出气口和进气口的错位排布，使得气流在不断碰壁的过程中降速，气流变得平稳，再进入气体电离室6。平稳缓慢的气流有利于充分电离，从而获得高离化率的等离子束。

Claims (7)

1.一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，包括阴极顶板(1)、阴极框体(2)、环形阳极(3)、绝缘支柱(4)、条形磁钢(5)、气体电离室(6)和环形离子束引出口(7)；所述阴极顶板(1)设置于阴极框体(2)的顶部开口处，环形离子束引出口(7)开设在阴极顶板(1)上，环形阳极(3)固定在绝缘支柱(4)上，环形阳极(3)和绝缘支柱(4)位于阴极框体(2)内，绝缘支柱(4)的底部设置于阴极框体(2)上，环形离子束引出口(7)位于环形阳极(3)之上，环形离子束引出口(7)和环形阳极(3)形状位置相匹配，气体电离室(6)设置于环形阳极(3)上表面和环形离子束引出口(7)之间，条形磁钢(5)设置于环形阳极(3)的环形开口内，条形磁钢(5)、环形阳极(3)和阴极顶板(1)构成了环形放电槽；所述阴极框体(2)、环形阳极(3)、阴极顶板(1)上分别设有冷水管(8)；阴极框体(2)的底部开设通气管道(9)，所述通气管道(9)设置于环形阳极(3)和条形磁钢(5)之间；所述阴极框体(2)的底部设有气体缓冲装置，所述气体缓冲装置包括相互连接的一级缓冲室(22)和二级缓冲室(23)，一级缓冲室(22)上设有一级进气口(221)和一级出气口(222)，二级缓冲室(23)上设有二级进气口(231)和二级出气口(232)，一级进气口(221)位于一级缓冲室(22)的底部，一级出气口(222)位于一级缓冲室(22)的顶部，一级出气口(222)向缓冲室内凸起且位于一级进气口(221)的两侧，二级进气口(231)和一级出气口(222)重合，二级进气口(231)位于二级缓冲室(23)的底部，二级出气口(232)位于二级缓冲室(23)的顶部，二级进气口(231)位于二级出气口(232)的两侧，二级出气口(232)和阴极框体(2)的通气管道(9)相连。
2.根据权利要求1所述的一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，所述环形离子束引出口(7)的剖面包括倒梯形和长方形，倒梯形的短底边和长方形连接，长方形位于环形阳极(3)的上表面之上；所述倒梯形的两个斜边相互垂直。
3.根据权利要求1所述的一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，位于环形离子束引出口(7)之内的阴极顶板(1)为阴极内环(11)，位于环形离子束引出口(7)之外的阴极顶板(1)为阴极外环(12)，阴极内环(11)上设有冷水管(8)，阴极外环(12)与阴极框体(2)连接，阴极框体(2)内设有冷水管(8)，环形阳极(3)的环体内设有冷水管(8)。
4.根据权利要求1所述的一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，所述气体电离室(6)的高度为3～5mm。
5.根据权利要求1所述的一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，所述阴极框体(2)的内部开设多个沉孔(21)，绝缘支柱(4)的底部嵌入在所述沉孔(21)内。
6.根据权利要求1所述的一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，所述阴极顶板(1)与阴极框体(2)通过螺栓(10)相连，环形阳极(3)和绝缘支柱(4)通过螺栓(10)相连。
7.根据权利要求1所述的一种磁场增强型线性大面积离子源，其特征在于，所述条形磁钢(5)为Nd-Fe-B永磁体。
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