CN106158565B - 栅网及离子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种栅网，用于离子源的离子光学系统，所述栅网设有带栅孔的栅孔区，所述栅网上自栅孔区边缘向外呈辐射状开设有多个热应变槽，且所述热应变槽贯穿所述栅网上下表面。本发明还提供了使用该栅网的离子源。本发明通过在栅网上开设辐射状的热应变槽，彻底地解决耐熔金属平面栅网的热变形问题，还能保持离子束束流的均匀度和稳定度，满足长期和反复高温环境离子源工作，提高离子源性能的重复性和离子束加工的工艺均匀性。

Description

栅网及离子源

技术领域

本发明涉及离子源技术领域，更具体地说，涉及一种栅网及离子源。

背景技术

离子束加工是当代微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)微纳精密加工的重要工艺之一。它是通过惰性气体辉光放电产生的等离子体，经抽取、成束、加速、中和形成高能高速的中性离子束，在常温或高温超真空环境中对金属、合金、氧化物、化合物、混合材料、半导体、绝缘体、超导体等材料的工件进行抛光、清洗、刻蚀、溅射、沉积、镀膜、注入等微纳米级的超精细加工。离子源是离子束加工系统的核心。请参阅图1，为现有离子源的结构示意图。其中，离子光学系统用于将真空室5内放电区产生的等离子体3抽取并加速成离子束4射出，是离子源的关键部件。这种常用的双栅式离子光学系统是由二张同轴平行安装的栅网组成，即引出栅网1和加速栅网2。该离子源栅网的热稳定性直接影响离子源等离子体浓度分布和离子束束流密度。

现有的离子源栅网装配是采用边缘固定的方式。当离子源开始工作后，等离子体离子到达栅网转移的能量、离子和电子在栅网上复合释放的能量、阴极产生的高温辐射和等离子体辐射的热量将造成栅网逐渐升温，导致栅网不同部位的温度很不均匀。从栅网中心向外沿径向出现较大的温度梯度，中部产生的热膨胀量比边缘大，在高温环境中使用一段时间后，栅网都会出现上凸或下凹热变形，这种热变形是不能自行消除的且重复使用时还会再次发生。这种热变形可能引起引出栅网1和加速栅网2的栅孔错位，极大影响离子束束流的均匀度和稳定度。如果两栅变形是互朝对方凸起，严重时会造成两栅短路而损坏电源，需要经常更换。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有离子源的栅网容易热变形的缺陷，提供一种开设有辐射状热应变槽的栅网和离子源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种栅网，用于离子源的离子光学系统，所述栅网设有带栅孔的栅孔区，所述栅网上自栅孔区边缘向外呈辐射状开设有多个热应变槽，且所述热应变槽贯穿所述栅网上下表面。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述热应变槽在所述栅网的周向上等间隔设置。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述热应变槽的数量为2～50个。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述热应变槽的数量n通过以下公式计算：

n＝5.705ln(d)-7.225；n取整数值；

其中d为栅网的直径。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述热应变槽的数量为双数。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述热应变槽为方形槽，该方形槽的长为15～20mm，宽为0.2～2mm。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述热应变槽为锯齿形槽，该锯齿形槽的长度为15～20mm，锯齿的齿间距为0.2～2mm。

在根据本发明优选实施例所述的栅网中，所述栅网的厚度为0.1～1mm。

本发明还提供了一种离子源，所述离子源包括双栅离子光学系统或三栅离子光学系统，其特征在于，所述双栅离子光学系统或三栅离子光学系统采用如前所述的栅网实现。

在根据本发明优选实施例所述的离子源中，所述双栅离子光学系统或三栅离子光学系统中相邻两片栅网上热应变槽的位置相对错开。

实施本发明的栅网和离子源，具有以下有益效果：本发明通过在栅网上开设辐射状的热应变槽，彻底地解决耐熔金属平面栅网的热变形问题，还能保持离子束束流的均匀度和稳定度，满足长期和反复高温环境离子源工作，提高离子源性能的重复性和离子束加工的工艺均匀性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有离子源的结构示意图；

图2为根据本发明第一实施例的栅网结构图；

图3为根据本发明第二实施例的栅网结构图；

图4为根据本发明第三实施例的栅网结构图；

图5为根据本发明优选实施例的最佳槽数计算曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图2，为根据本发明第一实施例的栅网结构图。如图2所示，该栅网中部设有带栅孔的栅孔区11，该栅网上自栅孔区11边缘向外呈辐射状开设有多个热应变槽12。这些热应变槽12贯穿栅网的上表面和下表面。在本发明的一些实施例中，该热应变槽12沿栅网的径向从栅孔区11的圆周延伸至栅网的边缘。优选地，该热应变槽12朝向栅网中心的一端与栅孔区11的圆周保持一定的距离，以保障栅网的力学性能。该栅网上靠近圆周边缘的区域还设有安装孔，以实现与离子源中其它栅网或结构的固定。

在本发明的优选实施例中，热应变槽12在栅网的周向上等间隔设置。该热应变槽的数量可以为2-50个。热应变槽12的槽数不宜过多，以免造成栅网力学强度的过分下降。两个热应变槽12之间如果具有安装孔13则形成固定翼，如果不具有安装孔13则形成自由翼。该热应变槽12的数量优选为双数，以使固定翼和自由翼的数量相同，进而保障安装结构的稳定性。

如图2所示，本发明的栅网中热应变槽12可以为方形槽，该方形槽的长a为15～20mm，宽b为0.2～2mm。优选地，该方形槽的长a为18mm，宽b为0.5mm。请参阅图3为根据本发明第二实施例的栅网结构图。如图3所示，该栅网的热应变槽12为锯齿形槽，该锯齿形槽的长度a为15～20mm，锯齿的齿间距c为0.2～2mm。实验证明，采用本发明设计的锯齿形槽，可以使栅网具有更好的抗热形变效果。

本发明中的栅板可以采用钼或不锈钢金属板材制备，厚度优选为0.1～1mm。在本发明更优选的实施例中，该栅板厚度为0.3mm～0.5mm。栅板的几何透明度优选为30～80％。本发明的栅网中栅孔区11可以根据需要设计成圆形、矩形或者其它形状。栅孔区11中栅孔13的直径优选为0.5～2.5mm。

请参阅图4，为根据本发明第三实施例的栅网结构图。下面对该第三实施例提供的栅网的参数及制作过程进行详细介绍。

一、参数设置：

(1)板材：钼板厚度＝0.5mm。

(2)栅网：栅网直径＝200mm，栅孔区直径＝155mm，栅孔直径＝2mm，栅孔数量＝3716个，几何透明度＝48％。

(3)热应变槽：槽数＝16，槽宽＝0.5mm，槽长＝18mm。

(4)安装孔：数量＝8，直径＝3.2mm，圆心线直径＝185mm。

二、制作过程

(1)将加工图纸导入数控加工中心，在直径为155mm的同心圆栅孔区内均匀的加工3716个直径为2mm栅孔，在直径为185mm的圆心线上按均分位置打8个直径为3.2mm的安装孔。

(2)将加工图纸导入激光加工中心，按栅网边缘的均分位置铣出16个长×宽＝18×0.5mm的辐射状热应变槽。

(3)打磨抛光，清除加工毛刺，得到如图4所示的栅网。

本发明还对多组实验条件下栅网不同位置的温度进行了检测，并结合栅网上游的等离子体浓度，以及栅网的结构特性，得出了栅网开设槽数的最佳计算公式。因此，在本发明的优选实施例中，栅网的热应变槽的数量可以通过以下公式(1)计算：

n＝5.705ln(d)-7.225； (1)

其中d为栅网直径，n为热应变槽的槽数，且该n取整数值。

本发明还采用上述公式(1)分别计算出直径d＝6cm，d＝10cm，d＝15cm和d＝20cm的最佳槽数，如表1和图5所示。根据该栅网直径的取值分别进行了4组对比实验，每组对比实验中制作了如表1中列出的具有不同槽数的栅网样品。实验检测了栅网在使用相同时间后的变形量以及力学性能。

表1

	第一组	第二组	第三组	第四组
					栅网直径	d＝6cm	d＝10cm	d＝15cm	d＝20cm
最佳槽数	3	6	8	10
					实验样品槽数	2～10	2～15	2～20	2～30

实验结果表明，与对照样品相比，采用经过本发明公式计算出的热应变槽数量，能够在保障栅网力学性能的同时，达到最佳的抗热变形效果。

本发明还相应提供了一种离子源。该离子源包括双栅离子光学系统或三栅离子光学系统。双栅离子光学系统包括同轴平行安装的引出栅网1和加速栅网2，该引出栅网1和加速栅网2均可以采用如前所述的栅网实现。优选地，两片栅网上热应变槽的位置相对错开。如果使用三栅离子光学系统，则除了前述引出栅网1和加速栅网2之外，还包括同样平行设置的减速栅网。优选地，这三片栅网中相邻两片栅网的热应变槽的位置相对错开。通过本发明的设计，该离子源的离子光学系统可以使用更小的栅极距离。将一般认为的栅网跨度与间隙之比为60提高到了400以上，达到了热解石墨栅的水平。从而为拓展大口径离子源的离子光学系统的设计提出了新的技术方法。

综上所述，使用本发明的可消除热变形的栅网制成的离子源，可以彻底解决耐熔金属平面栅网的热变形问题，并且离子源工作时离子束束流不用稳定时间，工作一个小时的束流相对变化<±1％。同时，本发明还能保持离子束束流的均匀度和稳定度，满足长期和反复高温环境离子源工作，提高离子源性能的重复性和离子束加工的工艺均匀性。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (7)

1.一种栅网，用于离子源的离子光学系统，其特征在于，所述栅网设有带栅孔的栅孔区，所述栅网上自栅孔区边缘向外呈辐射状开设有多个热应变槽，且所述热应变槽贯穿所述栅网上下表面；

所述热应变槽的数量n通过以下公式计算：

n＝5.705ln(d)-7.225；n取整数值；

其中d为栅网的直径；

所述热应变槽在所述栅网的周向上等间隔设置。

2.根据权利要求1所述的栅网，其特征在于，所述热应变槽的数量为2～50个。

3.根据权利要求1或2所述的栅网，其特征在于，所述热应变槽为方形槽，该方形槽的长为15～20mm，宽为0.2～2mm。

4.根据权利要求1或2所述的栅网，其特征在于，所述热应变槽为锯齿形槽，该锯齿形槽的长度为15～20mm，锯齿的齿间距为0.2～2mm。

5.根据权利要求1或2所述的栅网，其特征在于，所述栅网的厚度为0.1～1mm。

6.一种离子源，所述离子源包括双栅离子光学系统或三栅离子光学系统，其特征在于，所述双栅离子光学系统或三栅离子光学系统采用权利要求1～5中任一项所述的栅网实现。

7.根据权利要求6所述的离子源，其特征在于，所述双栅离子光学系统或三栅离子光学系统中相邻两片栅网上热应变槽的位置相对错开。