CN108172490A - 多用途灯丝气体离子源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子源设备技术领域，具体涉及了一种多用途灯丝气体离子源装置，包括第一离化腔室，第一离化腔室的一端设有第一进气口且第一离化腔室的另一端上设有第一逸出口，第一离化腔室的外侧壁上缠绕有第一线圈，第一离化腔室内设有灯丝组件，灯丝组件包括相对设置的灯丝和反射极板，反射极板位于灯丝和第一逸出口的中心线之间，灯丝和反射极之间为并联连接。本发明通过缠绕在第一离化腔室外的第一线圈以及与灯丝相对设置的反射极板，提高了气体离化效率，同时从灯丝发射出来的杂质原子会被反射极板和第一离化腔室捕获，避免杂质原子污染被加工工件。
Description
技术领域
本发明涉及离子源设备技术领域，特别是涉及一种多用途灯丝气体离子源装置。
背景技术
低温等离子体技术被广泛地运用于材料表面处理、半导体、微电子、光学、医学、等工业领域，尤其在薄膜材料制备和材料表面改性方面使用非常广泛。在材料表面改性技术领域热灯丝离子源可以提供加热工件、刻蚀活化表面及辅助镀膜的功能，也可为离子注入、元素掺杂等提供合适的金属元素、气体元素离子源等。但是灯丝热发射电子过程中，自身的表面原子也会发射出来，如果吸附在工件表面将构成污染。另外目前的热丝技术利用热灯丝发射的电子碰撞气体获得离子，气体离化效率较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种多用途灯丝气体离子源装置，能够提高气体离化效率并避免杂质原子污染被加工工件。
基于此，本发明提供了一种多用途灯丝气体离子源装置，包括第一离化腔室，所述第一离化腔室的一端设有第一进气口且所述第一离化腔室的另一端设有第一逸出口，所述第一离化腔室的外侧壁上缠绕有第一线圈，所述第一离化腔室内设有灯丝组件，所述灯丝组件包括相对设置的灯丝和反射极板，所述反射极板位于所述灯丝和第一逸出口的中心线之间，所述灯丝和反射极板之间为并联连接。
作为优选的，所述反射极板平行于所述第一逸出口的中心线。
作为优选的，所述灯丝组件的数量为偶数个，且所述灯丝组件呈对称设置。
作为优选的，所述反射极板的材质为难熔金属。
作为优选的，其特征在于，还包括第二离化腔室，所述第二离化腔室的一端与所述第一逸出口连通，所述第二离化腔室的另一端设有第二逸出口，所述第二离化腔室的外侧壁上缠绕有第二线圈。
作为优选的，所述第一离化腔室和第二离化腔室均呈筒形。
作为优选的，还包括电源装置，所述第二离化腔室的侧壁与所述电源装置的正极电连接，所述第一离化腔室和第二离化腔室绝缘。
作为优选的，所述第二离化腔室上设有第二进气口。
作为优选的，还包括聚焦线圈，所述聚焦线圈位于第二离化腔室之外并对应所述第二逸出口设置，所述聚焦线圈的轴线和所述第二逸出口的轴线平行或者重合。
作为优选的，所述第二逸出口上设有端盖板，所述第二离化腔室与所述端盖板绝缘，所述灯丝的正极和所述端盖板均接地设置。
本发明的多用途灯丝气体离子源装置，设有相对设置灯丝和反射极板，由于灯丝和反射极板为并联连接，因此二者电位相等，反射极板可反射灯丝上逸出的电子，增加了电子运动的路程，从而提高碰撞电离的效率；第一离化腔室外侧壁缠绕有第一线圈，第一线圈产生的磁场使得从灯丝上逸出的电子在洛伦兹力的作用下作旋转漂移运动，进一步增加了电子的运动路程以及电子与惰性气体碰撞的几率，进而获得高离化率的等离子体；此外，从灯丝上发射出来的杂质原子基本为中性原子，其不受电场和磁场的作用，因此容易被第一离化腔室的内壁和反射极板捕获沉淀，避免杂质原子污染被加工工件。
附图说明
图1是本发明实施例的多用途灯丝气体离子源装置的结构示意图。
其中，1、第一离化腔室；11、第一进气口；12、第一逸出口；13、第一线圈；14、灯丝组件；14a、灯丝；14b、反射极板；2、第二离化腔室；21、第二逸出口；22、第二线圈；23、第二进气口；24、端盖板；3、电源装置；4、绝缘环；5、聚焦线圈；6、壳体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
结合图1所示，示意性地显示了本发明的多用途灯丝气体离子源装置，包括圆筒形的第一离化腔室1，第一离化腔室1的一端上设有第一进气口11，可通入用于保护灯丝14a以及用于离化的惰性气体，第一离化腔室1的另一端上设有第一逸出口12。第一离化腔室1的外侧壁上缠绕有第一线圈13，第一离化腔室1内设有灯丝组件14，灯丝组件14包括相对设置的灯丝14a和反射极板14b，反射极板14b位于灯丝14a和第一逸出口12的中心线之间，由于灯丝14a和反射极板14b并联连接，因此二者的电位相等，从灯丝14a上朝着反射极板14b方向逸出的电子会被反射极板14b反射(即反射的方向从第一逸出口12的轴线指向第一离化腔室1的内侧壁)，以此增加电子的运动路程，提高了碰撞电离的几率。同时，第一线圈13产生的磁场迫使从灯丝14a上逸出的电子在洛伦兹力的作用下作旋转漂移运动，进一步增加了电子的运动路程以及惰性气体和电子的碰撞几率，从而获得高离化率的等离子体。此外，从灯丝14a表面逸出的蒸发物质基本为中性原子，这些中性原子不受电场和磁场的作用，因此它们在运动时会碰撞第一离化腔室1的内壁和反射极板14b并被捕获沉淀。其中，上述蒸发物质为灯丝14a上满足逸出功函数的表面原子，蒸发物质如果吸附在工件的表面，会造成工件表面涂层质量降低，而反射极板14b和第一离化腔室1的内壁都会捕获这些蒸发物质，防止其从第一逸出口12逸出，避免污染被加工工件。
为了进一步提高等离子体的密度，即提高气体离化率。本装置还包括圆筒形的第二离化腔室2，第二离化腔室2的一端与第一逸出口12连通，第二离化腔室2的另一端设有第二逸出口21，第二离化腔室2的外侧壁缠绕第二线圈22，第二线圈22产生的磁场一方面迫使荷电粒子(电子和阳离子)作旋转漂移运动，增加与气体分子的碰撞几率(产生碰撞电离)，以提高等离子体中的阳离子密度，另一方面聚束等离子体从第二离化腔室2的第二逸出口21逸出，为被加工工件提供等离子体。其中，第二离化腔室2的侧壁电性连接于电源装置3的正极，第一离化腔室1和第二离化腔室2之间通过绝缘环4连接，当第二离化腔室2的侧壁不接通电源并处于漂浮电位时，第二逸出口21处可获得高密度等离子体；当第二离化腔室2的侧壁接通电源正极，第二离化腔室2的侧壁的电位高于灯丝14a的电位，在第二离化腔室2内运动的电子被第二离化腔室2的侧壁吸附并进入电源装置3的电路回路中，由于电子都被第二离化腔室2的侧壁吸附，因此第二逸出口21处可获得高纯度的气体阳离子。通过电源装置3改变第二离化腔室2侧壁的电位，可分别获得高密度的等离子体和高纯度的阳离子束，以满足不同场合的需要。其中，第一离化腔室1和第二离化腔室2均设在离子源装置壳体6内。
在第二离化腔室2上还设有第二进气口23，可将加工工件所需的工作气体引入第二离化腔室2内，使得工作气体在第二离化腔室2内与电子碰撞电离，而且工作气体还不会逆流进入第一离化腔室1内与灯丝14a和反射极板14b发生反应。在本实施例中，第二离化腔室2设有第二逸出口21的一端上绝缘地设有端盖板24，端盖板24和第二离化腔室2之间设有绝缘环4，灯丝14a的正极和端盖板24均电性接地设置，致使灯丝14a的负极和端盖板24形成电位差，从灯丝14a逸出的电子会自动地往端盖板24所在的方向运动，从而使得电子会有秩序地从第一离化腔室1运动至第二逸出口21，以此来限定电子的运动方向。
为了加工的需要，该装置还包括聚焦线圈5，聚焦线圈5位于第二离化腔室2之外并对应第二逸出口21设置，聚焦线圈5的轴线和第二逸出口21的轴线平行或重合，聚焦线圈5用于根据工件加工的需求产生磁场将从第二逸出口21逸出的等离子体或阳离子束聚焦，以便于满足被加工工件的加工。
在本实施例中，为了优化该装置，反射极板14b平行于第一逸出口12的中心线。灯丝组件14有偶数个，且灯丝组件14呈对称设置，每个灯丝组件14的反射极板14b都会将其对应的灯丝14a逸出的电子反射向第一离化腔室1的内侧壁，使得电子能尽量延长其运动的路程，增大碰撞电离的几率，以提高气体离化率。并联的两个灯丝组件14大幅提高了电子的发射数量，还能平衡其功耗，使本装置不至于太过耗能。反射极板14b的材质为难熔金属，难熔金属一般指熔点高于1650℃并有一定储量的金属(钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛)，也有将熔点高于锆熔点(1852℃)的金属称为难熔金属。因为难熔金属原子的离化能较高，难以变成离子，它既能反射灯丝14a逸出的电子，还不会逸出金属阳离子，污染被加工工件。
综上所述，本发明的多用途灯丝气体离子源装置，设有相对设置的灯丝14a和反射极板14b，由于灯丝14a和反射极板14b的电位相等，反射极板14b可反射灯丝14a上逸出的电子，增加了电子运动的路程，从而提高碰撞电离的效率；第一离化腔室1外侧壁缠绕有第一线圈13，第一线去产生的磁场使得从灯丝14a上逸出的电子在洛伦兹力的作用下作旋转漂移运动，进一步增加了电子的运动路程以及电子与惰性气体碰撞的几率，进而获得高离化率的等离子体；此外，从灯丝14a上发射出来的杂质原子基本为中性原子，其不受电场和磁场的作用，因此容易被第一离化腔室1的内壁和反射极板14b捕获沉淀，避免杂质原子污染被加工工件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，包括第一离化腔室，所述第一离化腔室的一端设有第一进气口且所述第一离化腔室的另一端设有第一逸出口，所述第一离化腔室的外侧壁上缠绕有第一线圈，所述第一离化腔室内设有灯丝组件，所述灯丝组件包括相对设置的灯丝和反射极板，所述反射极板位于所述灯丝和第一逸出口的中心线之间，所述灯丝和反射极板之间为并联连接。
2.根据权利要求1所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，所述反射极板平行于所述第一逸出口的中心线。
3.根据权利要求2所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，所述灯丝组件的数量为偶数个，且所述灯丝组件呈对称设置。
4.根据权利要求1所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，所述反射极板的材质为难熔金属。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，还包括第二离化腔室，所述第二离化腔室的一端与所述第一逸出口连通，所述第二离化腔室的另一端设有第二逸出口，所述第二离化腔室的外侧壁上缠绕有第二线圈。
6.根据权利要求5所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，所述第一离化腔室和第二离化腔室均呈筒形。
7.根据权利要求5所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，还包括电源装置，所述第二离化腔室的侧壁与所述电源装置的正极电连接，所述第一离化腔室和第二离化腔室绝缘。
8.根据权利要求5所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，所述第二离化腔室上设有第二进气口。
9.根据权利要求5所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，还包括聚焦线圈，所述聚焦线圈位于第二离化腔室之外并对应所述第二逸出口设置，所述聚焦线圈的轴线和所述第二逸出口的轴线平行或者重合。
10.根据权利要求5所述的多用途灯丝气体离子源装置，其特征在于，所述第二逸出口上设有端盖板，所述第二离化腔室与所述端盖板绝缘，所述灯丝的正极和所述端盖板均接地设置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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