CN106229248A - 水冷环形热阴极离子源中和器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷环形热阴极离子源中和器，属于光电技术领域。它包括主体、光阑、电极固定板、钨丝电极柱、前侧电极和后侧电极，电极固定板固定在主体上，光阑固定在主体上端，钨丝电极柱穿过电极固定板，前侧电极、后侧电极固定在电极固定板上；还包括冷却水管和环状钨丝，环状钨丝固定在主体上，前侧电极、后侧电极分别套在钨丝电极柱下端；冷却水管固定在主体外侧的凹形半圆槽上。本发明结构简单、经济实用、使用方便，成本低、寿命长，采用水冷方式，降低了热阴极发热导致温度升高对系统稳定性和加工去除稳定性的影响，使得离子源在应用中更加稳定和可靠。

Description

水冷环形热阴极离子源中和器

技术领域

本发明涉及光电技术，尤其是离子源技术，属于光电技术领域。

背景技术

离子束抛光技术是目前最先进、精度最高的加工技术，由于离子束抛光具有柔性加工、去除稳定性、精度高等特点，是加工亚纳米级精度光刻物镜的理想手段。因此，离子源在先进光学制造领域具有非常广阔的应用前景。

随着现代工业的发展,特别是随着大规模集成电路的发展,离子源广泛应用于集成电路制作的离子刻蚀设备、沉积金属层和金属引线以及介质膜的镀膜机、亚微米超大规模集成电路制作工艺中离子束曝光机、制作超大规模集成电路的光刻机镜头的亚纳米级精度离子束抛光机、高质量光学离子束辅助和溅射镀膜机等领域。目前的离子源主要采用正离子源，即通过不同的电离原理把气体电离成离子，然后采用引束系统把正离子引出，形成具有一定能量的束流。在这些领域的离子源应用中，需要的是中性的等离子体束流，而不是带正电或负电的束流。因此，在离子源系统中需要增加一个中和器，用于发射电子并与离子束流形成正负电荷相同的等离子体束流，从而应用于所需要的刻蚀、镀膜或加工。

在离子源系统中，中和器作用主要有三个：

（1）中和靶材上的积累的正电荷，使加工过程和去除速率维持稳定；

（2）为减小离子束中的空间电荷静电斥力的影响，使中和器的空间电荷呈中性束，保持束流较小的发散角；

（3）可以为离子源起辉提供所需要的电子。

中和器可以采用射频电子发生器、空心阴极、热阴极等方法来实现。空心阴极耗材极为昂贵，使用寿命也不长，导致性价比不高，不被广泛使用；射频电子发生器则结构复杂，同时设备昂贵，也不是中和器的首选；热阴极中和器制作比较简单,即用加热的钨丝发射电子,便于拆卸。但传统的热阴极中和器采用一根钨丝发射电子，钨丝由于受离子束流的轰击作用，造成钨丝寿命短，影响中和器的使用，而且在强束流作用下，离子源内部材料被溅射，对绝缘陶瓷产生污染，造成短路而影响使用，降低了中和器的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种水冷环形热阴极离子源中和器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水冷环形热阴极离子源中和器，包括主体、光阑、电极固定板、钨丝电极柱、前侧电极和后侧电极，电极固定板固定在主体上，光阑固定在主体上端，钨丝电极柱穿过电极固定板，前侧电极、后侧电极固定在电极固定板上；还包括冷却水管和环状钨丝，环状钨丝固定在主体上，前侧电极、后侧电极分别套在钨丝电极柱下端；冷却水管固定在主体外侧的凹形半圆槽上。

本发明的有益效果是，结构简单、经济实用、使用方便，成本低、寿命长，使用寿命达到150—200小时，与空心阴极寿命大致相当，而且成本大幅降低，每次只需要更换钨丝就可继续使用，使用成本是空心阴极的千分之一，甚至更少；采用水冷方式，降低了热阴极发热导致温度升高对系统稳定性和加工去除稳定性的影响，使得离子源在应用中更加稳定和可靠。

较传统的热阴极结构提升了钨丝的使用寿命，适合离子束抛光、离子束刻蚀、离子束溅射等过程使用。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）环形钨丝固定在电极固定板上方，直径略大于电极固定板的中心孔径，使得钨丝不被束流轰击到，较传统的热阴极结构提升了钨丝的使用寿命，使得中和器更经久耐用，减少更换钨丝的时间，提升离子源的使用效率和生产效率；

（2）采用T型陶瓷垫圈、柱型陶瓷垫圈和帽形垫片相结合使用的方法，目的是减小陶瓷垫圈被污染而产生导电性，使得中和器短路而失去功能作用，一方面帽形垫片能有效减少陶瓷垫圈在离子束轰击作用下被杂质的污染，提升陶瓷垫圈的使用寿命和中和器的稳定性；另一方面，T型陶瓷垫圈和柱型陶瓷垫圈相套结合使用，更能保护减少T型陶瓷垫圈在电极固定板下方的强污染，提升中和器的稳定性；

（3）主体外壳设计有冷却水管，用于冷却中和器，减少热阴极热量造成的温升，从而提升中和器和离子源的使用稳定性。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图（立体图）；

图2是本发明俯视图；

图3是本发明仰视图；

图4是图3的A-A剖面图（本发明结构示意图）；

图5是图4的局部放大图；

图6是帽形垫片立体图；

图7是环状钨丝结构示意图；

图中零部件及编号：

1—主体，2—光阑，3—电极固定板，4—T型陶瓷垫圈，5—柱型陶瓷垫圈，

6—帽形垫片，7—钨丝电极柱，8—平垫片，9—紧固螺母，10—前侧电极，

11—后侧电极，12—冷却水管，13—环状钨丝。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

参见图1—7，水冷环形热阴极离子源中和器，包括主体1、光阑2、电极固定板3、钨丝电极柱7、前侧电极10和后侧电极11，电极固定板3固定在主体1上，光阑2固定在主体1上端，钨丝电极柱7穿过电极固定板3，前侧电极10、后侧电极11固定在电极固定板3上；还包括冷却水管12和环状钨丝13，环状钨丝13固定在主体1上，前侧电极10、后侧电极11分别套在钨丝电极柱7下端；冷却水管12固定在主体1外侧的凹形半圆槽上。

钨丝电极柱7与电极固定板3之间套有T型陶瓷垫圈4，T型陶瓷垫圈4上端套有帽形垫片6。

钨丝电极柱7的下端套有柱型陶瓷垫圈5，柱型陶瓷垫圈5下端套有帽形垫片6。

两个半圆环状钨丝13对称分布，形成一个环状的圆结构作为热阴极。

环状钨丝13的直径大于电极固定板3的中心孔直径1—2mm。

环状钨丝13固定在电极固定板3上方，有效保护钨丝不被离子源束流轰击，延长钨丝使用寿命。

采用T型陶瓷垫圈4、柱型陶瓷垫圈5和帽形垫片6相结合，柱型陶瓷垫圈5套在T型陶瓷垫圈4上，帽形垫片6分别扣在T型陶瓷垫圈4和柱型陶瓷垫圈5上，有效减少垫圈被离子束溅射造成的污染。

光阑2固定在主体1上方，可根据加工不同束斑口径的需要，更换不同中心孔径的光阑。

电极固定板3为一个中心开孔的圆片，通过螺钉固定在中和器主体1结构上；电极固定板3在东南西北四个方向有四个小孔。在中和器主体1上方，光阑2通过落定固定在上面，并保证光阑2中心孔与中和器主体1同轴心；冷却水管12固定在中和器主体1外侧的凹形半圆槽上，冷却水管12的两端通过金属卡套接口与冷却水连接，一端接进水口，另一端接出水口。通过以上方式，把环状钨丝13固定在了中和器主体1上，通过对前侧电极10和后侧电极11连上电源线，环状钨丝13即可发热发射电子，通过冷却水的循环，降低中和器主体1的温度，减少了对工件的热辐射。

T型陶瓷垫圈4穿过电极固定板3的小孔与电极固定板3连接，其中T型陶瓷垫圈4带帽一端朝上；钨丝电极柱7穿过T型陶瓷垫圈4中心孔；柱型陶瓷垫圈5套在钨丝电极柱7下端，并与电极固定板3下端面连接；帽形垫片6套在钨丝电极柱7下端，并与柱型陶瓷垫圈5下端面连接；在东西方向，钨丝电极柱7通过一个紧固螺母9固定在钨丝电极柱7下端的螺纹上，使得钨丝电极柱7、T型陶瓷垫圈4、帽形垫片6、柱型陶瓷垫圈5和电极固定板3固定在一起；在钨丝电极柱7上端，T型陶瓷垫圈4与帽形垫片6连接，并且钨丝电极柱7上端穿过帽形垫片6中心孔，钨丝电极柱7上端露出的外螺纹安装一个紧固螺母9，使得紧固螺母9与帽形垫片6连接，并紧固帽形垫片6、钨丝电极柱7和T型陶瓷垫圈4。

参见图3、4，装有环状钨丝13的钨丝电极柱7在前后两个位置（实际可任意对角位置），在电极固定板3下端，钨丝电极柱7、T型陶瓷垫圈4、帽形垫片6、柱型陶瓷垫圈5和电极固定板3连接方式与图2中的东西方向一致，不同的是帽形垫片6分别与前侧电极10和后侧电极11连接，如在前侧位置，钨丝电极柱7穿过前侧电极10右侧的孔使得前侧电极10与前侧的钨丝电极柱7套接，并与帽形垫片6连接，前侧电极10露出的外螺纹通过紧固螺母9，使得钨丝电极柱7、T型陶瓷垫圈4、帽形垫片6、柱型陶瓷垫圈5、前侧电极10和电极固定板3固定在一起；在电极固定板3上端，在前后两侧，帽形垫片6分别与两侧的T型陶瓷垫圈4连接，并套在两侧的钨丝电极柱7上，如图3所示的两个半圆环状钨丝13，两端分别插入前侧和后侧钨丝电极柱7上的小孔上，钨丝电极柱7上的小孔方向调整为前后方向，使得两个半圆环状钨丝13对称分布形成一个圆，其结构如图7所示；在环状钨丝13上方，采用两个平垫片8分别套在两侧的钨丝电极柱7上，使得平垫片8压在钨丝13上，然后通过紧固螺母9，固定在两侧的钨丝电极柱7的外螺纹上，使得钨丝电极柱7、平垫片8、钨丝13、帽形垫片6和T型陶瓷垫圈4固定在一起。

在本实施例中，需要T型陶瓷垫圈4四个、柱型陶瓷垫圈5四个、帽形垫片6八个、钨丝电极柱7四个、平垫片8两个、紧固螺母9八个、半圆环状钨丝13两个，其余各一个。

Claims (5)

1.一种水冷环形热阴极离子源中和器，包括主体（1）、光阑（2）、电极固定板（3）、钨丝电极柱（7）、前侧电极（10）和后侧电极（11），电极固定板（3）固定在主体（1）上，光阑（2）固定在主体（1）上端，钨丝电极柱（7）穿过电极固定板（3），前侧电极（10）、后侧电极（11）固定在电极固定板（3）上；其特征在于，还包括冷却水管（12）和环状钨丝（13），环状钨丝（13）固定在主体（1）上，前侧电极（10）、后侧电极（11）分别套在钨丝电极柱（7）下端；冷却水管（12）固定在主体（1）外侧的凹形半圆槽上。

2.根据权利要求1所述的水冷环形热阴极离子源中和器，其特征在于，所述的钨丝电极柱（7）与电极固定板（3）之间套有T型陶瓷垫圈（4），T型陶瓷垫圈（4）上端套有帽形垫片（6）。

3.根据权利要求1所述的水冷环形热阴极离子源中和器，其特征在于，所述的钨丝电极柱（7）的下端套有柱型陶瓷垫圈（5），柱型陶瓷垫圈（5）下端套有帽形垫片（6）。

4.根据权利要求1所述的水冷环形热阴极离子源中和器，其特征在于，两个半圆环状钨丝（13）对称分布，形成一个环状的圆结构作为热阴极。

5.根据权利要求1所述的水冷环形热阴极离子源中和器，其特征在于，环状钨丝（13）的直径大于电极固定板（3）的中心孔直径1—2mm。