CN108428610B - 一种小型离子源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型离子源及其制备方法，属于场致发射电子电离气体产生离子的技术领域；解决现有离子源结构复杂、体积大、成本高和使用不方便、其产生的离子束电流大小非常难于控制、也无法实现实时可调等问题。本发明包括绝缘套筒、封装在绝缘套筒两端用于产生高能电子的电子枪、第二栅极、聚焦电极和引出离子束的引出电极等，所述电子枪一端，绝缘套筒上设置有进气口；所述电子枪包括绝缘基座，封装在绝缘基座上接地或者接负电压的场致电子发射电极和接正高压的第一栅极。本发明用于产生离子束。
Description
技术领域
一种小型离子源及其制备方法，用于产生离子束，属于场致发射电子电离气体产生离子的技术领域
背景技术
离子源是能够产生离子的装置，是离子束注入、离子束刻蚀、离子束溅射镀膜及中性束加热。目前产生离子束的方法主要是依靠高能电子束电离气体产生等离子体，通过引出电极引出离子束。离子源可分为金属离子源和气体离子源，按照电子发射机制又可细分为热阴极发射和冷阴极发射。
在传统离子源中，常用热阴极气体离子源采用热灯丝发射电子，依靠弧放电电离气体产生等离子体，这种方式可以产生较高密度的等离子体，引出的离子束束流密度比较高，缺点是放电等离子体对阴极污染比较严重，导致寿命很短，且不可使用氧化气体。冷阴极气体离子源的放电驱动通常采用射频激励、微波放电和脉冲驱动，特别是在低气压下产生高密度等离子体，具有很强的操作方便性与实用性。在传统的离子源中，其产生的离子束电流大小非常难于控制，控制精度非常差，也无法实现实时可调。
碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991年才被发现的一种碳结构,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等。碳纳米碳管还具有特别的场发射性能，具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、不需要加热和超高真空等优点。
现有技术中，有基于其他发射阴极来制备离子的离子源(如潘宁源)。但是潘宁源的离子引出效率不高，离子含量也不大，尤其是在不同放电条件下的等离子体密度和电子温度等参数的检测困难。同样也难于实现离子束电流流大小的灵活控制，实时控制离子流大小就更加困难。
发明内容
本发明的目的在于：解决现有热阴极气体离子源放电等离子体因对阴极污染比较严重，寿命较短，且不可使用氧化气体；潘宁源离子引出效率不高、原子离子含量也不大、等离子体参数的诊断不全面准确；以及现有离子源结构复杂、体积大、成本高和使用不方便、其产生的离子束电流大小非常难于控制、也无法实现实时可调等问题。本发明提供了一种小型离子源及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种小型离子源，其特征在于，包括绝缘套筒、封装在绝缘套筒两端用于产生基于场致发射高能电子的电子枪和引出电极，所述电子枪一端，绝缘套筒上设置有气体进气口；
所述电子枪包括绝缘基座，封装在绝缘基座上接地或者接负电压的场致电子发射电极和接正高压的第一栅极；
还包括第二栅极，电子枪发射出的电子将在第一栅极和第二栅极之间的腔体中的气体电离形成正离子；
所述引出电极将正离子引出，形成所需要的离子束。
进一步，所述第一栅极和第二栅极为钼、铜、不锈钢、石墨中的一种或多种制备的导电材料或者复合材料的栅网；所述电离的气体为氩气、氮气氘气、氚气或者需要产生其他离子的相关气体；所述绝缘基座为陶瓷基座。
进一步，所述电子枪和引出电极之间设置有聚焦电极；所述聚焦电极为接聚焦压的金属材料；所述聚焦电极安装在绝缘套筒内。
进一步，所述场致电子发射电极包括金属电极和固定在金属电极上的场致电子发射阵列；所述场致电子发射阵列包括基片和基片上设置的碳纳米管阵列或其他一维纳米结构阵列。
进一步，所述金属电极由不锈钢、钼、纯铁中的一种或多种金属制成。
一种小型离子源的制备方法，其特征在于，包括以下内容：
a、在基片上制备碳纳米管阵列或其他一维纳米结构阵列，形成场致电子发射阵列；
b、将场致电子发射阵列固定在由金属材料制成的金属电极上，得到场致电子发射电极；
c、将场致电子发射电极和第一栅极封装在绝缘基座上，组成电子枪；
d、在绝缘套筒内设置有与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，所述电子枪、引出电极封装在绝缘套筒内部。
进一步，步骤a中所述碳纳米管阵列或其他一维纳米结构阵列包括三种制备方法：1)采用化学气相沉积的方法在基片上制备碳纳米管阵列；2)采用丝网印刷方法在基片上制备碳纳米管阵列；3)采用电泳的方法在基片上制备碳纳米管阵列。
进一步，所述步骤c中：
将通过阴极接线柱(13)接负电压的场致电子发射电极和通过第一栅极接线柱(14)接地或者正高压的第一栅极封装在绝缘基座(8)上，组成电子枪；
所述步骤d中：所述电子枪和引出电极(5)之间设置有聚焦电极(9)；电子枪和引出电极(5)封装在绝缘套筒(10)的相对两端。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明提供离子源是利用碳纳米管(CNTs)等一维纳米结构材料的尖端非常细小的特点，将碳纳米管等一维纳米结构材料组成CNTs场致电子发射电极，第一栅极加相对于CNTs场致电子发射电极的正电压，能够在CNTs的尖端附近形成巨大的场强，在CNTs尖端发射高能电子，高能电子具有很高的能量，从而电离气体产生正离子，高能电子通过第一栅极和第二栅极约束，能够电离气体产生离子，离子在被引出后通过聚焦电极聚焦、加速，从而获得离子束。本发明中的离子源结构简单、体积小、成本低、使用方便等特点。
2.能够快速开启与关闭，并可以通过分别调节第一栅极电压或者第二栅极电压对离子流进行精确调节。
3.抛弃传统离子源中的约束磁路结构，器件结构简单、轻便。
4.本发明离子源可以在离子束注入、离子束刻蚀、离子束溅射镀膜及中性束加热等方面广泛应用。
附图说明
图1为本发明中电子枪的原理图；
图2为本发明中含有聚焦电极的离子源结构图；
图3为本发明中不含有聚焦电极的离子源结构图；
图中标记：1-基片、2-碳纳米管阵列、3-第一栅极、4-第二栅极、5-引出电极、6-离子出口、7-气体进气口、8-绝缘基座、9-聚焦电极、10-绝缘套筒、11-聚焦电极接线柱、12-第二栅极接线柱、13-阴极接线柱、14-第一栅极接线柱。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中碳纳米管(CNTs)等一维纳米结构材料的尖端非常细小，将碳纳米管等一维纳米结构材料组成场致电子发射电极，第一栅极加相对于场致电子发射电极的正电压，使在的尖端附近形成巨大的正电场强，而发射高能电子；高能电子能够电离气体产生离子，离子在被引出后通过电极聚焦、加速，从而获得离子束。
一种小型离子源，其特征在于，包括绝缘套筒、封装在绝缘套筒10两端用于产生基于场致发射高能电子的电子枪和引出电极5，所述电子枪一端，绝缘套筒上设置有气体进气口7；
所述电子枪包括绝缘基座8，封装在绝缘基座上接地或者接负电压的场致电子发射电极和接正高压的第一栅极3；
还包括第二栅极4，电子枪发射出的电子将在第一栅极和第二栅极之间的腔体中的气体电离形成正离子；
所述引出电极5将正离子引出，形成所需要的离子束。
进一步，所述第一栅极3为钼、铜、不锈钢、石墨中的一种或多种制备的导电材料或者复合材料的栅网；所述电离的气体为氩气、氮气氘气、氚气或者其他所需气体(气体种类可以非常多，主要根据所需离子源来定)；所述绝缘基座8为陶瓷基座。
进一步，所述电子枪和引出电极5之间设置有聚焦电极9；所述聚焦电极9为接聚焦压的金属材料；所述聚焦电极9安装在绝缘套筒10内。
进一步，所述场致电子发射电极包括金属电极和固定在金属电极上的场致电子发射阵列；所述场致电子发射阵列包括基片1和基片1上设置的碳纳米管阵列2或其他一维纳米结构阵列。
进一步，所述金属电极由不锈钢、钼、纯铁中的一种或多种金属制成。
本发明的基本原理如下：
通过阴极接线柱13接地或者负电压的碳纳米管场致电子发射电极在通过第一栅极接线柱14接正高压的第一栅极3提供的正电场作用下，发射出电子。发射出的电子也被第一栅极3的电场加速获得很高的能量后穿透第一栅极3进入第一栅极3和第二栅极4之间，第二栅极4通过第二栅极接线柱12接负高压施加负高压，多数电子将在第一栅极3和第二栅极4之间来回震荡运动，从而将腔体中的气体电离。电离出来的正离子在第二栅极4的加速作用下向第二栅极4方向运动，并穿过第二栅极4的栅极孔，在引出电极5的负高压作用下飞向离子出口6。在飞向引出电极5的过程中受到聚焦电极11的聚焦作用会聚到离子出口6，从而从离子出口6飞出，形成所需要的离子流，即离子束。
实施例1
一种小型的离子源器件，主要包括：
绝缘套筒：绝缘套筒主要由陶瓷或者其他绝缘材料构成，其两端分别封装有电子枪和引出电极。引出电极上开设有引出离子束的孔(如图2中的6所示，离子由此引出)。靠近电子枪的一段也开有一个小孔，用于气体的注入(如图2中的7所示，为气体进气口)。
电子枪：电子枪是用于产生高能电子束的部件，由场致电子发射电极、栅网和陶瓷基座组成。场致电子发射电极通过阴极接线柱接地或者负电压，栅网通过第一栅极接线柱接正高压，电子枪中充斥着氩气、氘气或者氚气或者其他气体。所述的场致电发射电极为将生长在基底上的碳纤维管阵列或其他一维纳米结构阵列固定在场致离子发射电极上。其原理图如附图1所示。
绝缘套筒内与电子枪栅网结构一致的栅网，电子枪栅网(即第一栅极)接正高压，另一栅网(即第二栅极)接负高压。
如图3所示，将电子枪和引出电极(离子束引出口)封装在绝缘套筒相对两端。
实施例2
在实施例1的基础上，设置有了聚焦电极；
聚焦电极：由不锈钢、铜或者钼制成，聚焦电极接聚焦压。当离子束通过聚焦电极时，离子束将会被聚焦。
如图2所示，将聚焦电极固定在绝缘套筒内的合适位置，将电子枪和引出电极(离子束引出口)封装在绝缘套筒两端。
实施例3
实施例2中的离子源的制备方法如下：
1)将碳纳米管阵列或者其他一维纳米结构阵列生长在硅片或者其他基片上，作为场致电子发射阵列。
2)将生长的场致电子发射阵列固定在由不锈钢制成的金属电极上，得到场致电子发射电极，再将由金属钼制备的栅网组成的第一栅极和场致电子发射电极一起封装进陶瓷基座上，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将聚焦电极固定在绝缘套筒内的处于引出电极与第二栅极之间。
4)将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图2所示封装在绝缘套筒两端。
实施例4
实施例1中的离子源的制备方法如下：
1)将碳纳米管阵列或者其他一维纳米结构阵列生长在硅片或者其他基片上，作为场致电子发射阵列。
2)将生长的场致电子发射阵列固定在由不锈钢制成的金属电极上，得到场致电子发射电极，再将由金属钼制备的栅网组成的第一栅极和场致电子发射电极一起封装进陶瓷基座上，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图3所示封装在绝缘套筒两端。
实施例5
一种离子源的制备方法，包括以下步骤：
1)使用微波等离子体化学气相沉积(MWCVD)在基片上制备碳纳米管阵列，形成CNTs场致电子发射阵列。
2)将CNTs场致电子发射阵列固定在由不锈钢制成的阴极金属电极上，再将由金属钼制备的第一栅极和阴极一起封装进陶瓷基座，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将聚焦电极固定在绝缘套筒内处于引出电极与第二栅极之间。
4)将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图2所示封装在绝缘套筒两端。
实施例6
一种离子源的制备方法，包括以下步骤：
1)使用丝网印刷的方法将CNTs生长在硅片上。
2)将生长有CNTs的硅片粘在由不锈钢制成的阴极金属电极上，再将由金属钼制备的第一栅极和阴极一起封装进陶瓷基座，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将聚焦电极固定在绝缘套筒内套筒内处于引出电极与第二栅极之间。
4)将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图2所示封装在绝缘套筒两端。
实施例7
一种离子源的制备方法，包括以下内容：
1)用CVD(化学气相沉积)在硅片上生长一维纳米材料结构的材料。
2)将生长一维纳米材料的硅片粘在由不锈钢制成的阴极金属电极上，再将由金属钼制备的第一栅极和阴极一起封装进陶瓷基座，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将聚焦电极固定在绝缘套筒内处于引出电极与第二栅极之间。
4)将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图2所示封装在绝缘套筒两端。
实施例8
一种电子源的制备方法，包括以下内容：
1)使用微波等离子体化学气相沉积(MWCVD)制备出CNTs场致电子发射阵列。
2)将CNTs场致电子发射阵列固定在由不锈钢制成的阴极金属电极上，再将由金属钼制备的第一栅极和阴极一起封装进陶瓷基座，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图3所示封装在绝缘套筒两端。
实施例9
一种离子源的制备方法，包括以下内容：
1)使用丝网印刷的方法将CNTs生长在金属基片上。
2)将生长有CNTs的金属基片固定在由不锈钢制成的阴极金属电极上，再将由铜制成的第一栅极和阴极一起封装进陶瓷基座，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将电子枪、第二栅极、引出电极(离子束引出口)按图3所示封装在绝缘套筒两端。
实施例10
一种离子源的制备方法，包括以下内容：
1)用CVD(化学气相沉积)基片上生长一维纳米材料结构的材料。
2)将生长一维纳米材料的基片粘在由不锈钢制成的阴极金属电极上，再将由金属钼制备的第一栅极和阴极一起封装进陶瓷基座，组成电子枪。
3)在绝缘套筒内设置与第一栅极形成电离腔体的第二栅极，以及将离子束的引出电极，将电子枪、第二栅极、引出电极(离子引出口)按图3所示封装在绝缘套筒两端。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种小型离子源，其特征在于，包括绝缘套筒(10)、封装在绝缘套筒(10)两端用于产生基于场致发射高能电子的电子枪和引出电极(5)，所述电子枪一端，绝缘套筒上设置有气体进气口(7)；
所述电子枪包括绝缘基座(8)，封装在绝缘基座上接地或者接负电压的场致电子发射电极和接正高压的第一栅极(3)；
还包括第二栅极(4)，电子枪发射出的电子将在第一栅极和第二栅极之间的腔体中的气体电离形成正离子；
所述引出电极(5)将正离子引出，形成所需要的离子束。
2.根据权利要求1所述的一种小型离子源，其特征在于，所述第一栅极(3)和第二栅极(4)为钼、铜、不锈钢、石墨中的一种或多种制备的导电材料或者复合材料的栅网；所述电离的气体为氩气、氮气、氘气或氚气；所述绝缘基座(8)为陶瓷基座。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种小型离子源，其特征在于，所述电子枪和引出电极(5)之间设置有聚焦电极(9)；所述聚焦电极(9)为接聚焦压的金属材料；所述聚焦电极(9)安装在绝缘套筒(10)内。
4.根据权利要求1-2任意一项所述的一种小型离子源，其特征在于，所述场致电子发射电极包括金属电极和固定在金属电极上的场致电子发射阵列；所述场致电子发射阵列包括基片(1)和基片(1)上设置的碳纳米管阵列(2)或其他一维纳米结构阵列。
5.根据权利要求4所述的一种小型离子源，其特征在于，所述金属电极由不锈钢、钼、纯铁中的一种或多种金属制成。
6.一种小型离子源的制备方法，其特征在于，包括以下内容：
a、在基片(1)上制备碳纳米管阵列(2)或其他一维纳米结构阵列，形成场致电子发射阵列；
b、将场致电子发射阵列固定在由金属材料制成的金属电极上，得到场致电子发射电极；
c、将场致电子发射电极和第一栅极(3)封装在绝缘基座(8)上，组成电子枪；
d、在绝缘套筒内设置与第一栅极(3)形成电离腔体的第二栅极(4)，以及将离子束的引出电极(5)，所述电子枪、引出电极(5)封装在绝缘套筒(10)内部。
7.根据权利要求6所述的一种小型离子源的制备方法，其特征在于，步骤a中所述碳纳米管阵列(2)或其他一维纳米结构阵列包括三种制备方法：1)采用化学气相沉积的方法在基片上制备碳纳米管阵列；2)采用丝网印刷方法在基片上制备碳纳米管阵列；3)采用电泳的方法在基片上制备碳纳米管阵列。
8.根据权利要求6所述的一种小型离子源的制备方法，其特征在于，所述步骤c中：将通过阴极接线柱(13)接负电压的场致电子发射电极和通过第一栅极接线柱(14)接地或者正高压的第一栅极封装在绝缘基座(8)上，组成电子枪；
所述步骤d中：所述电子枪和引出电极(5)之间设置有聚焦电极(9)；电子枪和引出电极(5)封装在绝缘套筒(10)的相对两端。
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