CN106206230A

CN106206230A - 一种离子源的电源系统及离子源

Info

Publication number: CN106206230A
Application number: CN201610792691.2A
Authority: CN
Inventors: 刁克明
Original assignee: Limited By Share Ltd Of Beijing Advanced Ion Beam Technology Research Institute
Current assignee: Limited By Share Ltd Of Beijing Advanced Ion Beam Technology Research Institute
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN107275176A; CN106206230B; CN107275176B

Abstract

本发明涉及一种离子源的电源系统及离子源，所述离子源包括：主阴极、弧板阳极、屏栅、加速栅和中和器；所述电源系统包括：阴极电源、弧极电源、屏栅电源、加速电源、中和电源和耦合电源；以及检测单元，与所述阴极电源、弧极电源、屏栅电源、加速电源、中和电源和耦合电源连接，用于测量各个电源的电压或电流信号反馈值；电源控制器，用于根据所述检测单元测得的电压或电流信号反馈值，控制各个电源的电压或电流信号等于或接近设定值。本发明根据反馈的各路电源电压或电流信号，对各路电源进行自动调节，克服了现有离子源各路电源独立工作、手动调整的缺陷，能够使离子束自动调谐至最佳传送状态，从而保证离子源系统稳定、可靠、高效运行。

Description

一种离子源的电源系统及离子源

技术领域

本发明涉及离子束技术领域，尤其涉及一种离子源的电源系统及离子源。

背景技术

离子束加工是当代微电子机械系统(MEMS)微纳精密加工的重要工艺之一，而离子源是离子束加工系统的核心。卡夫曼离子源是目前最常用的电子轰击宽束离子源(BBIS)，采用主阴极、弧板阳极、屏栅、加速栅和中和器等构成，其中主阴极可以采用直热电子发射丝放电阴极，屏栅和加速栅组成双栅离子光学系统，中和器为浸没式中和阴极，主阴极在阳极电场的作用下发射电子，进入气体放电区的惰性气体受电子轰击引发放电形成等离子体，双栅离子光学系统将该等离子体抽取出来，经中和器中和后形成中性离子束。该离子源在工作过程中需要对应的阴极、弧极、屏极、加速、耦合和中和共6路电源供电。

现有卡夫曼离子源的电源大多都是6路电源彼此独立设置、独立运行。用户需要根据离子源工作时的状态，手工反复调节，导致离子源工作状态稳定性差，重复性差，效率不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有离子源的各路电源彼此独立设置需手动调节的缺陷，提供一种根据工作情况自动调节各路电源的离子源的电源系统及采用该系统的离子源。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种离子源的电源系统，所述离子源包括：主阴极、弧板阳极、屏栅、加速栅和中和器；所述电源系统包括：

阴极电源，用于为所述主阴极提供加热电流；

弧极电源，用于对所述弧板阳极施加弧极电压；

屏栅电源，用于对所述屏栅施加屏栅电压；

加速电源，用于对所述加速栅施加加速电压；

中和电源，用于为所述中和器的阴极提供中和电流；

耦合电源，用于实现离子束与所述中和器的阴极间的电压耦合；

检测单元，与所述阴极电源、弧极电源、屏栅电源、加速电源、中和电源和耦合电源连接，用于测量各个电源的电压或电流信号反馈值；

电源控制器，与所述检测单元以及阴极电源、弧极电源、屏栅电源、加速电源、中和电源和耦合电源连接，用于根据所述检测单元测得的电压或电流信号反馈值，控制各个电源的电压或电流信号等于或接近设定值。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述电源控制器根据检测的加速电源的电流反馈值，控制阴极电源提供的加热电流或控制屏栅电源施加的屏栅电压，使加速栅上的加速电流位于参考范围内。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述电源控制器根据检测的加速电源的电流反馈值以及参考范围，确定电流修正值，并通过以下公式计算屏栅控制信号瞬间值：

M_S(t)＝K_ASe(t)+K_ISe(t)dt+K_DSde(t)/dt；

其中，e(t)是电流修正值的瞬时值，K_AS、K_IS和K_DS为控制参数；

所述电源控制器维持阴极电源提供的加热电流在一恒定值，并将屏栅控制信号瞬间值输出给所述屏栅电源调节屏栅电压。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述电源控制器根据检测的加速电源的电流反馈值以及参考范围，确定电流修正值，并通过以下公式计算主阴极控制信号瞬间值：

M_C(t)＝K_ACe(t)+K_ICe(t)dt+K_DCde(t)/dt；

其中，e(t)是电流修正值的瞬时值，K_AC、K_IC和K_DC为控制参数；

所述电源控制器维持屏栅电源施加的屏栅电压在一恒定值，并将主阴极控制信号瞬间值输出给所述阴极电源调节加热电流。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述阴极电源的正极和负极与所述主阴极的两端连接；所述弧极电源的正极接所述弧板阳极，弧极电源的负极接所述阴极电源的正极；所述屏栅电源的正极接屏栅以及所述弧极电源的负极；所述加速电源的正极接所述屏栅电源的负极，加速电源的负极接所述加速栅；所述中和电源的正极和负极与所述中和器的阴极的两端连接；所述耦合电源的正极接所述屏栅电源的负极，耦合电源的负极接所述中和电源的正极并连接公共端。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述电源控制器包括弧极电源控制单元，用于在启动离子源时将所述弧极电源调节为第一电压水平，在预设时间后将所述弧极电源调节为第二电压水平，且所述第二电压水平低于所述第一电压水平。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述第一电压水平为60～70V。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述第二电压水平为35～40V。

在根据本发明所述的离子源的电源系统中，所述电源控制器还包括异常检测单元，用于在检测到电源短路、欠压或灭弧的状态时提醒用户。

本发明还提供了一种离子源，包括如前所述的离子源的电源系统。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明可以在离子源工作过程中，根据反馈的各路电源电压或电流信号，对各路电源进行自动调节，克服了现有离子源各路电源独立工作、手动调整的缺陷，能够使离子束自动调谐至最佳传送状态，从而保证离子源系统稳定、可靠、高效运行。

附图说明

图1为根据本发明离子源的电源系统的优选实施例的原理图；

图2为根据本发明优选实施例中电源控制器的模块示意图；

图3为根据本发明离子源的离子束流密度分布曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明离子源的电源系统的优选实施例的原理图。本发明离子源的电源系统适用于卡夫曼离子源。如图1所示，该实施例的离子源包括：主阴极1、弧板阳极2、屏栅3、加速栅4和中和器5等。其中，离子源置于真空室内，真空室可为圆筒形，其上设有气孔用于通入惰性气体。弧板阳极2中间的区域构成气体放电区。弧板阳极2外还缠有电磁线圈，用于产生高频电场。主阴极1在弧极电场的作用下发射电子。进入气体放电区的惰性气体受电子轰击引发放电形成等离子体。屏栅3和加速栅4在同一中心线上轴向间隔设置，构成双栅离子光学系统。屏栅3从等离子体中抽取离子束，并经加速栅5加速。中和器5用于向经过加速栅4加速的离子束发射电子，中和成为中性离子束。

该离子源的电源系统至少包括：阴极电源6、弧极电源7、屏栅电源8、加速电源9、中和电源11和耦合电源10，这六路电源同时为离子源供电实现离子束发射的过程。

其中阴极电源6用于为主阴极1提供加热电流，其正极和负极与主阴极1的两端连接。在一定范围内，主阴极1的加热电流越大，放电电流越大，放电电流增加引起放电等离子体中离子密度及电子温度增加，使离子束流增加。

弧极电源7用于对弧板阳极2施加弧极电压，其正极接弧板阳极2，负极接阴极电源6的正极。

屏栅电源8用于对屏栅3施加屏栅电压，其正极接屏栅3以及弧极电源7的负极。屏栅电压反应离子束中离子的能量。因等离子体电位与弧极电压相近，离子所得到的净加速能量是弧极电压与屏栅电压之和。由于弧极电压远小于屏栅电压，所以通常认为屏栅电压就是离子束的能量，如屏栅电压是1000V，离子束的能量就是1000eV。屏栅电源8的屏栅电流则反应离子束的大小，但真正从离子源引出去的离子束的大小应是屏栅电流与加速电流之差。

加速电源9用于对加速栅4施加加速电压。加速电源9的正极接屏栅电源8的负极，加速电源9的负极接加速栅4。加速电源9给加速栅施加的是负偏压，一方面是为了引出更大的束流，另一方面是为了抑制二次电子和中和电子返流进入放电室。电子返流是不参与工作的，是假的离子束流。如果加速电压过低，则因电子返流而使离子束流急剧上升。但是如果采用加速电压太高，则会使离子束发散电场加强，使离子束过于发散，不便于离子束聚焦。加速电流是离子打到加速栅4上产生的电流。

中和电源10用于为中和器5的阴极提供中和电流，用于加热中和器5的阴极，发射电子与离子束中和。中和电源10的正极和负极与中和器5的阴极的两端连接。中和电源10的中和电流是直接浸没在离子束中的中和阴极悬丝的加热电流，控制向离子束发射中和电子的能力。

耦合电源11用于实现离子束与中和器5的阴极间的电压耦合。耦合电源11的正极接屏栅电源8的负极，耦合电源11的负极接中和电源11的正极。该耦合电源11提供的耦合电压是为了改变中和器5的阴极对束等离子体的电位使之负偏，改善离子束与中和器阴极间的电压耦合。

本发明中离子源的电源系统还包括检测单元12以及电源控制器13。其中检测单元12与阴极电源6、弧极电源7、屏栅电源8、加速电源9、中和电源10和耦合电源11连接，用于测量各个电源的电压或电流信号反馈值。

电源控制器13与检测单元12以及阴极电源6、弧极电源7、屏栅电源8、加速电源9、中和电源10和耦合电源11连接，用于根据检测单元12测得的电压或电流信号反馈值，控制各个电源的电压或电流信号等于或接近设定值。各个电源的输出电压及电流范围如表格1所示。

表格1

阴极

弧极

屏极

加速

耦合

中和

电压(V)

0～20

0～100

0～1000

0～600

0～40

0～20

电流(A)

0～20

0～5

0～0.5

0～0.1

0～1

0～20

在离子源实际工作过程中，用户需要根据离子束参数要求设置前述阴极电源6、弧极电源7、屏栅电源8、加速电源9、中和电源10和耦合电源11的电压或电流，例如启动时，设定阴极电流：5.5A；弧极电压：45V；屏栅电压：750V；加速电压：280V；中和电流：3A；耦合电压：20V。电源控制器13根据各个反馈值，对相应电源进行调节，使得各个电源的电压或电流信号等于或接近设定值。该电源控制器13还可以根据离子源工作情况随时调整各个电源的电压或者电流值的设定值，使离子束被调谐至最佳传送状态，有利于延长离子源的寿命，并能减少损耗。

本发明的优选实施例中，该离子源的电源系统可以对加速栅4上产生的加速电流进行控制。如前所述，加速电流是离子打到加速栅4上产生的电流，该电流不应大于20mA，否则，会对加速栅4的栅网本身造成严重的损害。因此，本发明中电源控制器13根据检测的加速电源的电流反馈值，控制阴极电源6提供的加热电流或控制屏栅电源8施加的屏栅电压，使加速栅4上的加速电流位于参考范围内。优选地，该加速电流的参考范围为10～20mA。

本发明中可以通过两种方式来调节加速栅4上的加速电流I_a。第一种方式中，电源控制器13维持阴极电源6提供的加热电流在一恒定值，通过调节屏栅电源8的屏栅电压来控制加速电流。

首先，电源控制器13根据检测的加速电源的电流反馈值I_F以及参考范围，确定电流修正值I_E。设加速电流的参考范围为[I_A,I_B]。当I_A≤I_f≤I_B时，表明加速电流位于参考范围内，不需要调整，该电流修正值I_E＝0。当I_F＜I_A时，表明加速电流需要调大，电流修正值I_E＝I_F-I_A。当I_F＞I_B时，表明加速电流需要调小，电流修正值I_E＝I_B-I_F。

当确定电流修正值后，电源控制器13通过以下公式(1)计算屏栅控制信号瞬间值：

M_S(t)＝K_ASe(t)+K_ISe(t)dt+K_DSde(t)/dt； (1)

其中，e(t)是电流修正值I_E的瞬时值，K_AS、K_IS和K_DS为控制参数。该控制参数K_AS、K_IS和K_DS可以预先通过优化以得到最佳控制结果。

电源控制器13将通过公式(1)计算的屏栅控制信号瞬间值M_S(t)输出给屏栅电源8调节屏栅电压。通过上述方法，可以在加速电流偏高时，适当提高屏栅电压来减小加速栅4感应的加速电流；在加速电流偏小时，适当减小屏栅电压来增加加速栅4感应的加速电流。

第二种方式中，电源控制器13维持屏栅电源8施加的屏栅电压在一恒定值，通过调节阴极电源6的加热电流来控制加速电流。

首先，电源控制器13根据检测的加速电源的电流反馈值I_F以及参考范围，确定电流修正值I_E。设加速电流的参考范围为[I_A,I_B]。该步骤中确定电流修正值的方法与第一种方式中相反。当I_A≤I_f≤I_B时，表明加速电流位于参考范围内，不需要调整，该电流修正值I_E＝0。当I_F＜I_A时，表明加速电流需要调大，电流修正值I_E＝I_A-I_F。当I_F＞I_B时，表明加速电流需要调小，电流修正值I_E＝I_F-I_B。

当确定电流修正值后，电源控制器13通过以下公式(2)计算主阴极控制信号瞬间值：

M_C(t)＝K_ACe(t)+K_ICe(t)dt+K_DCde(t)/dt； (2)

其中，e(t)是电流修正值I_E的瞬时值，K_AC、K_IC和K_DC为控制参数。该控制参数K_AC、K_IC和K_DC可以预先通过优化以得到最佳控制结果。

电源控制器13将通过公式(2)计算的主阴极控制信号瞬间值M_C(t)输出给阴极电源6调节加热电流。通过上述方法，可以在加速电流偏高时，适当减小主阴极的加热电流来减小加速栅4感应的加速电流；在加速电流偏小时，适当提高主阴极的加热电流来增加加速栅4感应的加速电流。

在本发明的更优选实施例中，该离子源的电源系统还包括与电源控制器13连接的人机交互模块14和/或外控接口15。该人机交互模块14包括但不限于键盘和显示器等设备。通过键盘可以设置6路电源模块的启动时间、停止时间、电源总的工作时间等参数，并可以存储3个不同的参数。通过显示器可以显示6路电源的启动时间、停止时间、电源总的工作时间，以及实际功率和实际电压或电流值，例如前述电压或电流信号的反馈值。显示器还可以显示短路、欠压、灭弧等各种不同的故障状态。外控接口15则用于接收外部控制设备发出的控制信号，例如单片机系统或PLC等，从而对电源控制器13进行控制。

请参阅图2，为根据本发明优选实施例中电源控制器的模块示意图。如图2所示，该电源控制器13至少包括：阴极电源控制单元131、屏栅电源控制单元132和加速电源控制单元133。在第一种方式中，加速电源控制单元133根据检测的加速电源的电流反馈值I_F以及参考范围，确定电流修正值I_E，并通过公式(1)计算屏栅控制信号瞬间值M_S(t)，输出给屏栅电源控制单元132对屏栅电压进行调节。同时，阴极电源控制单元131维持阴极电源6提供的加热电流在一恒定值。在第二种方式中，加速电源控制单元133根据检测的加速电源的电流反馈值I_F以及参考范围，确定电流修正值I_E，并通过公式(2)计算主阴极控制信号瞬间值M_C(t)，输出给阴极电源控制单元131调节阴极电源6的加热电流。同时，屏栅电源控制单元132维持屏栅电源8施加的屏栅电压在一恒定值。

在本发明的优选实施例中，该电源控制器13还包括弧极电源控制单元134，用于控制弧极电源7的弧极电压。本发明中根据离子起弧特性，通过对弧极电压的分阶段控制来帮助起弧，并减少能量损耗。本发明在启动离子源时将弧极电源调节为第一电压水平，在预设时间后将弧极电源调节为第二电压水平。前述第一电压水平高于第二电压水平。优选地，第一电压水平为60～70V，第二电压水平为35～40V。这样，在启动离子源时采用60～70V的弧极电压容易起弧且能获得较大的放电电流。一般情况下惰性气体被电离产生单荷离子，例如Ar⁺，但是当电压达到约48V左右将出现双荷离子Ar⁺⁺，因此60～70V的放电电压会使双荷离子数量增加到占总离子数的10～20％，双荷离子具有单荷离子两倍的能量，在60～70V时为120～140eV。离子源中所有材料的溅射阈值一般为20～35eV，在40～140eV能量范围溅射额随离子能量迅速增加。10～20％的双荷离子Ar⁺⁺以120～140eV能量轰击灯丝表面，溅射量可增加10～100倍，其结果是阴极灯丝被大量溅射逸出而侵蚀，使用寿命大大缩短，同时单荷Ar⁺离子很少从栅孔抽出形成有效离子流，并且灯丝材料钨W⁺离子一同抽出在真空室内污染薄膜材料。因此，本发明在离子源启动预定时间后，判断离子源已起弧，可以将弧极电源调低至35～40V，即调到息弧的临界值稍大一点即可。这样，在离子源起弧后采用35～40V的弧极电压所产生的离子基本上是单荷氩离子Ar⁺。35～40eV的Ar⁺在离子源内部不会产生明显的轰击阴极灯丝的溅射。所述预定时间为经验参数，可由用户设置，例如将该预定时间设置为通常离子源启动至送气量确定的时间。

在本发明另一些优选的实施例中，电源控制器13还可以进一步包括异常检测单元，用于在检测到电源短路、欠压或灭弧的状态时提醒用户。

综上所述，本发明的离子源的电源系统可以控制6路电源自动耦合运行且自动跟踪调节，系统功能全面，操作简便，稳定可靠。

具体地，该离子源的电源系统具有如下调控方式：1)开机可恢复上次工作状态，可实现一键启动和停止的自动控制，即6路电源模块根据设置的启动和停止时间，依次启动和停止；2)可实现耦合及屏栅束流的自动跟踪；3)支持功率时间设置，设定时间到后，电源自动停止工作；4)通过485通信控制接口实现计算机控制，可以控制电源控制模块的启动和停止；5)输出功率从最低到最高连续可调，在负载稳定情况下，功率可稳定在±1W范围内。

该离子源的电源系统具有如下安全保护功能：1)系统设有安全保护的程序，无论是在设备正常还是有故障的情况下，均能保证负载以及电源的安全使用；2)过压和过流限制，功率最大值输入限制，有效防止误操作；3)允许在任何情况下长期短路；4)绝缘性能良好。

本发明将上述全自动的离子源的电源系统用于发射口径为150mm的离子源，并进行束流密度分布曲线测试。其中参数设定如下：阴极电流：5.5A；弧极电压：45V；屏栅电压：750V；加速电压：280V；中和电流：3A；耦合电压：20V；一键启动电源。该束流密度的测定过程如下：

1)先机械泵单机工作、后机械泵和分子泵双机工作，使真空室的真空度抽到本底压强。

2)将氩气充入气体输入口，启动加热放电电源产生辉光放电将氩气原子电离形成等离子体，经屏栅阴极、加速栅阳极以及中和器，将等离子体抽取、成束、加速、中和成离子束；

3)用法拉第探头在0～170mm范围内，每隔4mm测试单位面积内离子束束流即离子束流密度，所得离子束流密度分布曲线如图3所示，其中横轴为横向距离(单位：mm)，纵轴为束流密度(单位：mA/cm²)。从图3中可以看到，使用本发明的离子源电源系统，可以提高束流均匀度达80％。同时显示器上将显示各个参数的实测值：

主阴极：电压：5.5V，电流：5.5A；

弧电极：电压：45V，电流：1.3A；

屏栅极：电压：750V，电流：70mA；

加速极：电压：280V，电流：14mA；

中和极：电压：3.5V，电流：3A；

耦合极：电压：20V，电流：70mA。

本发明还相应提供了一种离子源，采用前述离子源的电源系统来提供电源，该离子源的结构参见结合图1和图2的详细描述，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种离子源的电源系统，所述离子源包括：主阴极、弧板阳极、屏栅、加速栅和中和器；其特征在于，所述电源系统包括：

阴极电源，用于为所述主阴极提供加热电流；

弧极电源，用于对所述弧板阳极施加弧极电压；

屏栅电源，用于对所述屏栅施加屏栅电压；

加速电源，用于对所述加速栅施加加速电压；

中和电源，用于为所述中和器的阴极提供中和电流；

2.根据权利要求1所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述电源控制器根据检测的加速电源的电流反馈值，控制阴极电源提供的加热电流或控制屏栅电源施加的屏栅电压，使加速栅上的加速电流位于参考范围内。

3.根据权利要求2所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述电源控制器根据检测的加速电源的电流反馈值以及参考范围，确定电流修正值，并通过以下公式计算屏栅控制信号瞬间值：

M_S(t)＝K_ASe(t)+K_ISe(t)dt+K_DSde(t)/dt；

所述电源控制器维持阴极电源提供的加热电流在一恒定值，并将所述屏栅控制信号瞬间值输出给所述屏栅电源调节屏栅电压。

4.根据权利要求2所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述电源控制器根据检测的加速电源的电流反馈值以及参考范围，确定电流修正值，并通过以下公式计算主阴极控制信号瞬间值：

M_C(t)＝K_ACe(t)+K_ICe(t)dt+K_DCde(t)/dt；

5.根据权利要求1～4中任一项所述的离子源的电源系统，其特征在于：

所述阴极电源的正极和负极与所述主阴极的两端连接；

所述弧极电源的正极接所述弧板阳极，弧极电源的负极接所述阴极电源的正极；

所述屏栅电源的正极接屏栅以及所述弧极电源的负极；

所述加速电源的正极接所述屏栅电源的负极，加速电源的负极接所述加速栅；

所述中和电源的正极和负极与所述中和器的阴极的两端连接；

所述耦合电源的正极接所述屏栅电源的负极，耦合电源的负极接所述中和电源的正极并连接公共端。

6.根据权利要求1所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述电源控制器包括弧极电源控制单元，用于在启动离子源时将所述弧极电源调节为第一电压水平，在预设时间后将所述弧极电源调节为第二电压水平，且所述第二电压水平低于所述第一电压水平。

7.根据权利要求6所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述第一电压水平为60～70V。

8.根据权利要求6所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述第二电压水平为35～40V。

9.根据权利要求1所述的离子源的电源系统，其特征在于，所述电源控制器还包括异常检测单元，用于在检测到电源短路、欠压或灭弧的状态时提醒用户。

10.一种离子源，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的离子源的电源系统。