CN109659212B - 一种阵列孔空心阴极放电离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列孔空心阴极放电离子源，包括基座、阳极栅网、磁体、绝缘组件、进气座、阵列孔板，其中进气座及阵列孔板为同电位的放电组件，绝缘组件将放电组件与基座之间以及阳极栅网与基座之间形成电位绝缘；阵列孔板为设置有多个阵列贯通孔的金属板，放电组件在一定真空度时产生辉光放电，放电过程中贯通孔会产生空心阴极效应电子汇聚，多个阳极栅网装配在基座上，磁体套装在基座上，放电产生的电子在电磁场作用下与工艺气体碰撞形成阳离子，多个阳极栅网既可以吸收电子又可以加速阳离子，实现高能离子的射出。本发明利用贯通孔辉光放电过程中的空心阴极效应在电磁场作用下汇聚射出高能离子，为真空涂层工艺过程提供高能离子。

Description

一种阵列孔空心阴极放电离子源

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，具体是指一种阵列孔空心阴极放电离子源。

背景技术

离子源是现阶段应用最为广泛的离子辅助沉积、清洗待镀产品的一种气相沉积过程中的通过等离子体放电离华气体的装置。离子源可有效的提高膜层致密度、附着力及膜层的光学性能及机械性能都有很好的提升效果。现阶段常用的离子源主要有潘宁离子源、霍尔离子源、阳极层离子源。

潘宁离子源是以潘宁放电为基础设计的离子源，是通过在环形阳极轴向方向上施加磁场，两个阴极之间电子往返运动，增加气体粒子的离化率，潘宁离子源的原理造成了离子源的结构较为小巧，离华输出能力相对较低，两组阴极及阳极之间距离较小，造成离华过程中，电极绝缘组件等很容易受到污染，严重影响潘宁源的使用寿命。

霍尔离子源是由阳极、阴极、磁场、气体分布组件组成，其中阴极发射电子，轰击进入的气体原子离华形成等离子体，同时提供中和电子，形成电中性的等离子束，等离子体受霍尔电流的加速作用，向出口处加速。霍尔离子源的结构造成部分零部件污染严重，其离子能量较低，并极易受环境影响稳定性较差，同时离华气体气耗大。

阳极层离子源是霍尔离子源的一种，阳极层离子源放电室壁是金属组成额，放电室由阳极及内外阴极组成。阳极层离子源中电子在电磁场作用下，形成环形霍尔电流，增加电子与气体的碰撞几率，提高了离化率，阳极白哦面附近区域形成的等离子体在电磁场及霍尔电流的共同加速下，从离子源下游引出。阳极层离子源结构简单，不需要电子发射器及栅极，可很好的利用于工业应用中。然而阳极层离子源阳极阴极之间间隙较小，在涂层装置极易污染，影响离子源的绝缘性，同时阴极上存在烧蚀腐蚀，很容易对涂层造成污染。

发明内容

针对现有的离子源存在的上述问题，本发明旨在提供一种可高效提高气体离子流并可以不对涂层工艺产生粒子污染，自身结构简单抗粒子污染绝缘性佳的阵列孔空心阴极放电离子源。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种阵列孔空心阴极放电离子源包括基座、阳极栅网、磁体、绝缘组件、进气座、阵列孔板，其中进气座及阵列孔板为同电位的放电组件，绝缘组件将放电组件与基座之间以及阳极栅网与基座之间形成电位绝缘；其中基座可通过螺栓及绝缘垫装配固定在真空腔室上实现真空密封及基座的电位悬浮，基座为焊接结构件，内含冷却水道，可对基座进行冷却；磁体套装在基座上，可在基座上滑动；进气座为焊接结构件，内含冷却水道，其通过螺栓固定在基座上，并通过绝缘套实现电位悬浮，阵列孔板为金属放电板，其上机械加工有阵列贯穿孔，阵列贯穿孔线径较小，可在一定真空度下产生空心阴极放电；多个阳极栅网装配在基座上，并通过绝缘密封垫实现真空密封及电位悬浮。

进一步设置是还包括有套设置于外筒体上的外磁体，该外磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场、平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合。

进一步设置是所述的磁力机构的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或 单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、 交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。

进一步设置是所述的基座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可实现对基座的冷却；所述的进气座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可对进气座进行冷却；所述的阵列孔板为圆形及方形板中的一种，所述进气座与阵列孔板通过螺栓装配可形成进气腔，进气腔内壁放置绝缘盖，可对进气座内表面进行电位屏蔽，进气腔内可放置对工艺气体起到均匀进气的绝缘阻隔条，从而实现工艺气体均匀性及稳定性。

进一步设置是所述的绝缘组件材料为聚四氟乙烯、陶瓷、云母、尼龙、聚苯酯中的一种及多种；绝缘组件包括对基座与放电组件电位绝缘的绝缘套及绝缘环、屏蔽进气座内壁的绝缘盖、对阳极进行绝缘的绝缘密封垫、悬浮基座的绝缘垫以及对螺栓进行电位悬浮的绝缘垫。

进一步设置是所述的基座为不锈钢焊接结构件，为实现良好的导电性，对其进行电镀处理，基座上可外接电极接线柱。

进一步设置是所述的阳极栅网为带有大量间隙的金属网、带有大量孔的金属板及环形金属丝网中的一种，多个阳极栅网为错位排布，可实现对电子充分的吸收。

进一步设置是所述空心阴极效应孔的孔径为0.5-10mm，孔间距为3-30mm。

本发明的创新机理是：空心阴极放电是受电极之间的距离及真空度影响的，在一定真空度下，电极之间辉光放电在一定极板距离下，电子会发生汇聚，产生空心阴极效应，在本发明中，充分利用这一物理现象，在一定尺寸的圆形及方形耐高温金属板上机械加工分布一定尺寸的阵列孔，在一定真空度下，金属板施加负压，阵列孔内会发生辉光放电并出现电子汇聚，从而产生空心阴极放电，放电过程中受磁场及电场的影响下，可稳定均匀输出高能离子。

本发明的优点是：

（1）本发明基座上套装的磁体一方面可在基座筒上滑动，有利于实现不同工艺的离子源内电子的运动形态，另一方面各种磁体的可更换性，可为涂层提供多种磁场下的高能离子。

（2）本发明利用进气座及阵列孔板形成的进气腔，内可放置匀气的绝缘隔条，为放电过程提供稳定速率的均匀出气的工艺放电气体，提升装置的稳定性及均匀性。

（3）本发明利用阵列孔在一定真空度下的空心阴极放电效应，可在一定尺寸的金属板上，形成均匀分布的阵列孔空心阴极放电孔，可为物理气相沉积过程提供均匀的离子源。

（4）本发明采用绝缘组件将放电组件与基座之间完全绝缘，并将进气座内壁包覆，放电过程稳定，杜绝了局部打火的现象。

（5）本发明利用栅网吸收放电过程中的电子，并加速等离子体中的阳离子，为工艺过程提供高能阳离子。

（6）本发明设计结构简单，维护方便，成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1 本发明阵列孔空心阴极放电离子源的结构示意图；

图2 本发明具体实施方式的半剖立体图；

图3a本发明形成平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场的外磁体布置图；

图3b 本发明形成平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场的外磁体布置图；

图3c 本发明形成平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场的外磁体布置图；

图3d本发明形成平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场的外磁体布置图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

本发明中放电金属板的尺寸外形既可以为圆形，也可以为方形，没有对其进行特别说明，相应的进气座及基座形状也与之相匹配，本发明所提供的多空放电空心阴极离子源仅对其机械基本结构进行说明，并没有对其形状进行限制。

本发明中包含两组水冷，其进出水水嘴没有画出，同时外接电极部分螺栓绝缘垫及离子源装配在真空腔室上的绝缘垫没有画出，但不影响本发明的论述。

下面，对本发明具体的结构及工作方式进行说明。

参见图1所示：阵列孔空心阴极放电离子源1包括基座11、阳极栅网12、磁体13、绝缘套14、进气座15、绝缘盖16、阵列孔板17、绝缘密封件18；其中进气座15及阵列孔板18为同电位的放电组件101，绝缘组件102将放电组件101与基座11以及阳极栅网12与基座之间形成电位绝缘形成电位绝缘；基座11可通过可通过螺栓及绝缘垫装配固定在真空腔室上实现真空密封及基座的电位悬浮，基座11为焊接结构件，内含冷却水道，可对基座11进行冷却；磁体13套装在基座11上，并可实现在基座11上的滑动；进气座15为焊接结构件，内含冷却水道，其通过螺栓固定在基座11上，并通过绝缘套14与基座11实现电位悬浮，阵列孔板17通过螺栓固定在进气座15上，阵列孔板17、绝缘盖16及进气座15形成进气腔103，可实现放电工艺气体的均匀分布，其中绝缘盖16可实现放电过程中进气座15的内表面的绝缘；阵列孔板17为金属放电板，其上机械加工有阵列贯穿孔104，阵列贯穿孔104线径较小，可在一定真空度下产生空心阴极放电；阳极栅网12装配基座11上，并通过绝缘密封垫18与基座11之间实现电位悬浮。

进气腔103为进气座15及阵列孔板17通过螺栓禁锢而成的，其可通过绝缘套14与基座11实现电位绝缘，为保证空心阴极效应放电过程的稳定性，进气腔103内进气座15内壁需绝缘盖16进行完全屏蔽绝缘，同时进气腔103将外接进气管将工艺气体输入离子源内，为保证进气的稳定性及均匀性，进气腔103内可放置进行匀气的绝缘隔条从而实现进气的均匀稳定可靠。

放电组件101是由进气座15、阵列孔板17装配而成，其中进气座15为保证具有良好的导电性，可对整个结构焊接件进行性电镀处理，阵列孔板17为耐高温金属钨、钽板，进气座15、阵列孔板17同电位，并将通过绝缘组件102实现与其他组件的电位绝缘，阵列孔板17上机械加工阵列孔。

绝缘组件包括基座11与进气座15之间实现电位绝缘的绝缘套14、屏蔽进气座15内壁的绝缘盖14、螺栓装配过程中的绝缘垫、阳极栅网12与基座11之间绝缘密封的绝缘密封垫以及悬浮基座11的绝缘垫。

阳极栅网12为组装件，其为阳极外接电极及栅网，其中栅网既可以为带有大量间隙的金属网、带有大量孔的金属板及环形金属丝网，多个阳极栅网12在基座上错位分布，从而实现等离子体中电子的吸收。

参见图3（a、b、c、d）所示：磁体13在筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场（参见图3a所示）。当然本发明该磁体13在外筒体内所形成的磁场还可以为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场（参见图3b所示）、平行于外筒体内腔壁的轴向闭合磁场（参见图3c所示）或平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场（参见图3d所示）中一种或多种组合；磁体的磁场为平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，通过以下技术方案实现，磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或 单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、 交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。其具体可参见本发明人的在先发明专利CN102936718A。

需要说明的是：阵列孔板既可以为圆形，亦可以为方形，其不同形状的阵列孔板所形成的阵列孔空心阴极放电离子源其机械结构基本相同，下面结合具体的实施例进行说明。

实施例1圆形阵列孔空心阴极放电离子源

如图2所示，圆形阵列孔空心阴极放电离子源的阵列孔板为圆形的，相应的基座及进气座、阴极环及绝缘组件也为圆形。本实施例中圆形阵列孔板上的阵列孔直径为2mm，孔心间距为10mm，阵列孔为环形分布；阳极栅网为环形金属丝焊接而成。

参见图1、图2所示，圆形阵列孔空心阴极放电离子源1通过基座11上的装配孔螺栓禁锢在真空腔室上，待真空腔室达到一定真空本底（0.005pa），通过外接气体质量流量计通入一定流量的氩气使得真空度达到0.5pa，接通外接电极上联通的电源，电压为500v，圆形阵列孔空心阴极放电离子源产生辉光放电，进一步增大放电电源的电压，辉光放电中的等离子体强度急剧增强，此时放电电压压升很小，电流成倍增大，此时，圆形阵列孔内的辉光放电电子发生汇聚，产生空心阴极效应，同时阳极栅网上施加正电（+50v），在电场及磁场的作用下，电子向阳极螺旋运动，运动过程中大量电离工艺气体，电子被吸附在阳极上，阳离子被阳极加速射出。通过调节磁场的位置及磁场形态以及电源的输出电流，可获得满足工艺要求的高能离子。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种阵列孔空心阴极放电离子源，其特征为：其包括基座、阳极栅网、磁体、绝缘组件、进气座、阵列孔板，其中进气座及阵列孔板为同电位的放电组件，阵列孔板通过螺栓固定在进气座上，绝缘组件将放电组件与基座之间以及阳极栅网与基座之间形成电位绝缘；其中基座可通过螺栓及绝缘垫装配固定在真空腔室上实现真空密封及基座的电位悬浮，基座为焊接结构件，内含冷却水道，可对基座进行冷却；磁体套装在基座上，可在基座上滑动；进气座为焊接结构件，内含冷却水道，其通过螺栓固定在基座上，并通过绝缘套实现电位悬浮，阵列孔板为金属放电板，其上机械加工有阵列贯穿孔，阵列贯穿孔线径较小，可在一定真空度下产生空心阴极放电；多个阳极栅网装配在基座上，并通过绝缘密封垫实现真空密封及电位悬浮；

放电组件在一定真空度时会产生辉光放电，放电过程中贯通孔会产生空心阴极效应电子汇聚，电子在阵列孔板电场及阳极电场及磁体的作用下向基座出口处螺旋运动，运动过程中与工艺气体发生碰撞，电子运动过程中被阳极栅网吸收，同时等离子体中的阳离子被阳极栅网加速，从而向基座出口处射出大量高能离子。

2.根据权利要求1所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：该磁体在外筒体内所形成的磁场为平行于外筒体内腔轴线的轴向磁场、平行于外筒体内腔壁的环切闭合磁场、平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场中一种或多种组合。

3.根据权利要求2所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：所述的磁体形成的磁场还包括平行于外筒体内腔截面的旋转平行磁场，外磁体由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕制；绕组的连接方式有单层、双层或 单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、 交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。

4.根据权利要求1所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：所述的基座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可实现对基座的冷却；所述的进气座为焊接结构件，其为圆筒形及方形筒中的一种，筒内有水冷水道，可对进气座进行冷却；所述的阵列孔板为圆形及方形板中的一种，所述进气座与阵列孔板通过螺栓装配可形成进气腔，进气腔内壁放置绝缘盖，可对进气座内表面进行电位屏蔽，进气腔内可放置对工艺气体起到均匀进气的绝缘阻隔条，从而实现工艺气体均匀性及稳定性。

5.根据权利要求1所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：所述的绝缘组件材料为聚四氟乙烯、陶瓷、云母、尼龙、聚苯酯中的一种及多种；绝缘组件包括对基座与放电组件电位绝缘的绝缘套及绝缘环、屏蔽进气座内壁的绝缘盖、对阳极进行绝缘的绝缘密封垫、悬浮基座的绝缘垫以及对螺栓进行电位悬浮的绝缘垫。

6.根据权利要求1所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：所述的基座为不锈钢焊接结构件，为实现良好的导电性，对其进行电镀处理，基座上可外接电极接线柱。

7.根据权利要求1所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：所述的阳极栅网为带有大量间隙的金属网、带有大量孔的金属板及环形金属丝网中的一张，多个阳极栅网为错位排布，可实现对电子充分的吸收。

8.根据权利要求1所述的阵列孔空心阴极放电离子源，其特征在于：所述空心阴极效应孔的孔径为0.5-10mm，孔间距为3-30mm。

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