CN109576664A - 一种三栅组件及含有该三栅组件的离子源 - Google Patents

一种三栅组件及含有该三栅组件的离子源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三栅组件，包括依次平行设置的内栅网、中栅网和外栅网，所述内栅网内侧设有内法兰，所述内栅网安装于所述内法兰上，所述外栅网外侧设有外法兰，所述外栅网安装于所述外法兰上，所述内法兰与所述中栅网之间、以及所述外法兰与所述中栅网之间均夹设有绝缘隔离件，所述中栅网上设有用于吸收热变形的应力吸收槽。本发明进一步公开了一种离子源，包括内罩、位于内罩内部的放电室、以及位于放电室内的阴极和阳极，还包括上述的三栅组件，三栅组件中的内法兰与所述放电室紧贴，三栅组件中的外法兰与所述内罩相连。本发明具有结构简单、成本低、有利于减少栅网间距离、可防止栅网间形变短路等优点。

Description

一种三栅组件及含有该三栅组件的离子源
技术领域
本发明涉及离子束溅射镀膜设备，尤其涉及一种三栅组件及含有该三栅组件的离子源，特别适用于低能宽束束流引出工况。
背景技术
离子束溅射是物理溅射方法之一。作为新一代薄膜生长方法，它具有膜材纯净、薄膜致密度高、粘附力强等特点，在半导体、薄膜材料、光学元件等行业得到了广泛应用。
薄膜沉积分为物理沉积和化学沉积两种。物理沉积是纯物理作用，不改变靶材和被沉积材料的原子结构和组份。仅仅是将靶材按相同组分比和原子(或分子)结构转移到工件上。物理沉积有三种常用的方法：一种是蒸发镀膜、一种是磁控溅射镀膜、一种是离子束溅射镀膜。蒸发镀膜是在超高真空状态下，将被镀材料加热形成气态物质，利用物质气态时的分子迁移和热运动，将材料附着在工件表面；磁控溅射是利用电磁场作用，在一定真空条件下，在被镀材料和工件间通过辉光放电产生等离子体，利用等离子的动能撞击靶材，将靶材中的原子或分子溅射出来，附着在工件表面；离子束溅射是在一定真空条件下，利用离子源在放电室内产生离子，利用离子束引出系统，将放电室内的离子引出形成带能量的离子束，离子束射向靶材，使靶材的原子或分子溅射出来，附着在工件表面。由于离子束能量高、束流大，与被镀材料的能量交换充分，溅射出来的原子或分子也带有很大能量，且溅射出来的原子或分子产额高，因此与工件的附着力强，致密性好。在三种物理镀膜方法中，其薄膜材料质量、薄膜材料的致密性、薄膜材料的附着力等都是最好的，因此使用越来越广泛。
离子束溅射镀膜设备的关键是离子源，离子源的性能直接影响镀膜质量及重复性。而影响离子源性能的关键因素之一是离子引出系统。离子引出系统的原理是在两极板(或称栅网)间施加电压，从而在极板间产生电场，离子进入极板后，受到电场力作用加速向负极板运动，如果在两极板上开孔，离子将会从负极板孔内射出，也即离子束流的引出。要使离子获得的电场力大，需要使极板间电场大，使电场增大有两个方面的因素，其一、增加两极板间的电位差，其二缩小极板间的距离。当极板间的电位差是可变的时，为了保证获得大的束流，要求极板距离要小于2mm，而且要保证在如此近的距离下，两极板间不会放电打火影响离子源工作，因而对引出系统的设计要求很高。目前，离子源的引出系统结构有两栅和三栅两种。两栅结构设计、制造简单，容易实现，安装时栅网内的网孔对准也比较容易。但由于两栅上都带有高压电，而外侧的栅网直接暴露在薄膜生长的反应室中，易受到反应室内空间电荷的影响，使离子源工作不稳定。此外，研究发现两栅结构的离子引出系统其束流的发散性更大，可能会因为离子束的发散将反应室内其他材料溅射出来沉积到工件上，降低薄膜质量。三栅结构离子源是在两栅结构离子源的外栅网外侧再增加了一个栅网，此栅网接地，与离子源的内罩共同形成一个等电位体，将内部两个栅网及放电室包裹在内部，使栅网及放电室与反应室隔离，保护内部栅网不受反应室空间电荷及反应环境的影响。但由于各栅网之间的距离非常近(小于2mm)，而内栅网又处于等离子体的出口，温度高，很容易导致栅网变形、短路，为了解决此问题，常规的做法是将增大三栅的尺寸，并在栅网的外周增加零件，提高栅网强度，这样虽然有利于防止栅网变形，但是会导致结构复杂，尺寸大大增加，进一步地反应室的尺寸也需要相应地增大，造成设备成本大大提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、有利于减少栅网间距离、可防止栅网间形变短路的三栅组件。
本发明进一步提供一种含有上述三栅组件的离子源
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种三栅组件，包括依次平行设置的内栅网、中栅网和外栅网，所述内栅网内侧设有内法兰，所述内栅网安装于所述内法兰上，所述外栅网外侧设有外法兰，所述外栅网安装于所述外法兰上，所述内法兰与所述中栅网之间、以及所述外法兰与所述中栅网之间均夹设有绝缘隔离件，所述中栅网上设有用于吸收热变形的应力吸收槽。
作为上述技术方案的进一步改进：所述中栅网包括本体部、设于本体部外周的环形部、以及多个沿环形部周向均匀设置的齿形连接部，各齿形连接部均配置有所述应力吸收槽，所述应力吸收槽一端位于所述齿形连接部一侧根部，另一端位于所述环形部内圆周与所述齿形连接部另一侧根部之间，所述应力吸收槽为弧形槽且凸起方向朝向所述环形部内部。
作为上述技术方案的进一步改进：所述齿形连接部上开设有连接孔，所述内法兰和所述外法兰通过穿设于所述连接孔中的紧固组件相连，所述紧固组件与所述内法兰、所述外法兰以及所述中栅网之间均绝缘隔离。
作为上述技术方案的进一步改进：其中一个所述齿形连接部开设有用来与电极的导线相连的通孔。
作为上述技术方案的进一步改进：所述内法兰外侧面上设有与所述内栅网厚度相等的外凹槽，所述内栅网通过紧固件安装于所述外凹槽内。
作为上述技术方案的进一步改进：所述外栅网内侧面设有与所述外栅网厚度相等的内凹槽，所述外栅网通过紧固件安装于所述内凹槽内。
作为上述技术方案的进一步改进：所述内栅网、所述中栅网和所述外栅网均为平面结构；或均为球面结构。
一种离子源，包括内罩及位于内罩内部的放电室，还包括上述的三栅组件，三栅组件中的内法兰与所述放电室紧贴，三栅组件中的外法兰与所述内罩相连。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的三栅组件，相比两栅结构而言，具有三栅结构固有的优势：由于有地栅的屏蔽，没有了空间电荷的影响，离子束的方向性更强，不会产生额外的发散，同时可提高离子源的稳定性。而相比常规的三栅结构而言，内栅网安装于内法兰上、外栅网安装于外法兰上，可提高内栅网和外栅网的强度以及抗变形能力，中栅网则设置应力吸收槽，用来吸收中栅网在材料受热膨胀时产生的形变，从而有效解决了栅网的强度和高温下的形变问题，避免了栅网间形变短路的问题，可大大缩小各栅网的外形尺寸，进而使安装离子源的反应室尺寸大大缩小，可有效降低设备制造成本，也无需在栅网上增加零件，简化了结构，便于制作和装配；内法兰位于内栅网内侧、外法兰则位于外栅网外侧，不占用栅网间的空间，有利于使栅网之间的距离满足小于2mm的要求，保证栅网间的电场强度。
本发明公开的离子源，含有上述三栅组件，因而同样具有上述优点。
附图说明
图1是本发明三栅组件的结构示意图。
图2是图1的A处放大图。
图3是本发明中的中栅网的结构示意图。
图4是本发明离子源的结构示意图。
图中各标号表示：1、内栅网；2、中栅网；21、应力吸收槽；22、本体部；23、环形部；24、齿形连接部；241、通孔；25、连接孔；26、引出孔；3、外栅网；4、内法兰；41、外凹槽；5、外法兰；51、内凹槽；6、绝缘隔离件；61、柱型绝缘套；62、T型绝缘套；7、内罩；8、放电室；9、紧固组件；91、沉头螺钉；92、紧固螺母；10、阳极；20、阴极；30、安装法兰。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
图1至图3示出了本发明三栅组件的一种实施例，本实施例的三栅组件，包括依次平行设置的内栅网1、中栅网2和外栅网3，内栅网1内侧(附图中为左侧)设有内法兰4，内栅网1安装于内法兰4上，外栅网3外侧(附图中为右侧)设有外法兰5，外栅网3安装于外法兰5上，内法兰4与中栅网2之间、以及外法兰5与中栅网2之间均夹设有绝缘隔离件6，通过绝缘隔离件6将各栅网之间绝缘隔离，中栅网2上设有用于吸收热变形的应力吸收槽21。优选的，绝缘隔离件6可为T型绝缘套62和柱型绝缘套61的组合，T型绝缘套62穿过中栅网2上的连接孔25与柱型绝缘套61套接。
本发明的三栅组件，相比两栅结构而言，具有三栅结构固有的优势：由于有地栅(本实施例中为外栅网3)的屏蔽，没有了薄膜生长的反应室内空间电荷的影响，离子束的方向性更强，不会产生额外的发散，同时可提高离子源的稳定性。而相比常规的三栅结构而言，内栅网1安装于内法兰4上、外栅网3安装于外法兰5上，可提高内栅网1和外栅网3的强度以及抗变形能力，中栅网2则设置应力吸收槽21，用来吸收中栅网2在材料受热膨胀时产生的形变，从而有效解决了栅网的强度和高温下的形变问题，避免了栅网间形变短路，可大大缩小各栅网的外形尺寸，进而使安装离子源的反应室的尺寸大大缩小(由于内罩7的尺寸、用于安装内罩7的安装法兰30的尺寸等均可缩小，相应地反应室的尺寸也可缩小)，可有效降低设备制造成本，也无需在栅网上增加零件，简化了结构，便于制作和装配；内法兰4位于内栅网1内侧、外法兰5则位于外栅网3外侧，不占用栅网间的空间有利于使栅网之间的距离满足小于2mm的要求，保证栅网间的电场强度。
作为进一步优选的技术方案，本实施例中，中栅网2包括本体部22、设于本体部22外周的环形部23、以及多个沿环形部23周向均匀设置的齿形连接部24，各齿形连接部24均配置有应力吸收槽21，应力吸收槽21一端位于齿形连接部24一侧根部(附图3中为右侧)，另一端位于环形部23内圆周与齿形连接部24另一侧根部之间(附图3中为左侧)，应力吸收槽21为弧形槽且凸起方向朝向环形部23内。通过反复的试验验证，该种齿形结构的异形中栅网2，整体强度高，应力吸收槽21对于材料受热膨胀形变的吸收能力强，从而可有效防止中栅网2的受热形变。
更进一步地，本实施例中，齿形连接部24上开设有连接孔25，内法兰4和外法兰5通过穿设于连接孔25中的紧固组件9相连，紧固组件9与内法兰4、外法兰5以及中栅网2之间均绝缘隔离。通过紧固组件9将内栅网1、中栅网2和外栅网3连接为整体，离子源维修时拆卸更加方便、快捷，无需像传统的两栅结构一样，一件一件全部拆散，且维修后恢复快，无需再次将各栅网的引出孔26对准。紧固组件9与内法兰4、外法兰5以及中栅网2之间的绝缘隔离，可通过上述的T型绝缘套62和柱型绝缘套61实现。优选的，紧固组件9包括沉头螺钉91和紧固螺母92，沉头螺钉91与外法兰5之间通过T型绝缘套62实现绝缘隔离，且T型绝缘套62大径端设置凹槽，从而将沉头螺钉91头部包围，避免了在低真空、高电压环境下对沉头螺钉91的放电打火；紧固螺母92与内法兰4之间通过另一T型绝缘套62实现绝缘隔离。
更进一步地，本实施例中，其中一个齿形连接部24开设有用来与电极的导线相连的通孔241，也即中栅网2上的通孔241作为电极的电气导线的接线点。
作为进一步优选的技术方案，本实施例中，内法兰4外侧面上设有与内栅网1厚度相等的外凹槽41，内栅网1通过紧固件安装于外凹槽41内，可保证内法兰4与内栅网1平齐，有利于减少栅件厚度。其中紧固件优选沉头螺钉。同理，本实施例中，外栅网3内侧面设有与外栅网3厚度相等的内凹槽51，外栅网3通过紧固件安装于内凹槽51内，不再赘述。
作为进一步优选的技术方案，本实施例中，内栅网1、中栅网2和外栅网3均为球面结构。在其他实施例中，也可采用平面结构，实现功能。
实施例二
图4示出了本发明离子源的一种实施例，本实施例的离子源，包括内罩7、位于内罩7内部的放电室8，以及位于放电室8内的阳极10和阴极20，还包括上述的三栅组件，三栅组件中的内法兰4与放电室8紧贴，保证工作时内栅网1处于高电位，三栅组件中的外法兰5与内罩7相连，保证工作时，外法兰5与内罩7为地电位。
本发明的离子源，含有上述三栅组件，因而同样具有上述优点。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种三栅组件，包括依次平行设置的内栅网(1)、中栅网(2)和外栅网(3)，其特征在于：所述内栅网(1)内侧设有内法兰(4)，所述内栅网(1)安装于所述内法兰(4)上，所述外栅网(3)外侧设有外法兰(5)，所述外栅网(3)安装于所述外法兰(5)上，所述内法兰(4)与所述中栅网(2)之间、以及所述外法兰(5)与所述中栅网(2)之间均夹设有绝缘隔离件(6)，所述中栅网(2)上设有用于吸收热变形的应力吸收槽(21)。
2.根据权利要求1所述的三栅组件，其特征在于：所述中栅网(2)包括本体部(22)、设于本体部(22)外周的环形部(23)、以及多个沿环形部(23)周向均匀设置的齿形连接部(24)，各齿形连接部(24)均配置有所述应力吸收槽(21)，所述应力吸收槽(21)一端位于所述齿形连接部(24)一侧根部，另一端位于所述环形部(23)内圆周与所述齿形连接部(24)另一侧根部之间，所述应力吸收槽(21)为弧形槽且凸起方向朝向所述环形部(23)内部。
3.根据权利要求2所述的三栅组件，其特征在于：所述齿形连接部(24)上开设有连接孔(25)，所述内法兰(4)和所述外法兰(5)通过穿设于所述连接孔(25)中的紧固组件(9)相连，所述紧固组件(9)与所述内法兰(4)、所述外法兰(5)以及所述中栅网(2)之间均绝缘隔离。
4.根据权利要求2所述的三栅组件，其特征在于：其中一个所述齿形连接部(24)开设有用来与电极的导线相连的通孔(241)。
5.根据权利要求1所述的三栅组件，其特征在于：所述内法兰(4)外侧面上设有与所述内栅网(1)厚度相等的外凹槽(41)，所述内栅网(1)通过紧固件安装于所述外凹槽(41)内。
6.根据权利要求1所述的三栅组件，其特征在于：所述外栅网(3)内侧面设有与所述外栅网(3)厚度相等的内凹槽(51)，所述外栅网(3)通过紧固件安装于所述内凹槽(51)内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的三栅组件，其特征在于：所述内栅网(1)、所述中栅网(2)和所述外栅网(3)均为平面结构；或均为球面结构。
8.一种离子源，包括内罩(7)、位于内罩(7)内部的放电室(8)、以及位于放电室(8)内的阴极(10)和阳极(20)，其特征在于：还包括权利要求1至7中任一项所述的三栅组件，三栅组件中的内法兰(4)与所述放电室(8)紧贴，三栅组件中的外法兰(5)与所述内罩(7)相连。
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