CN109671604B - 一种基于空心阴极放电的潘宁离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空心阴极放电的潘宁离子源，其包括：阳极筒、阴极网、磁极、绝缘套、阴极座、进气孔、空心阴极板、加速极、陶瓷套，其主要是利用空心阴极板上的多孔在辉光放电过程中电子汇聚产生空心阴极效应，可与阳极筒、阴极网之间形成潘宁放电，电子受电场及磁场的作用下可实现往复式运动，电子的运动行程被极大的拉长，其碰撞产生更多的电子，并受加速极的加速向真空腔室内输出大束流粒子流，其中阴极座及阳极筒内设置有水冷腔，可高效放电过程中产生的热量，同时大量微孔的陶瓷套可实现进气气流的稳定性；本发明通过将潘宁放电与空心阴极放电相结合，实现均匀稳定的放电且可具有更好的冷却效果，提高离子源的长时间高效稳定性。

Description

一种基于空心阴极放电的潘宁离子源

技术领域

本发明涉及一种潘宁离子源，特别涉及一种基于空心阴极放电的潘宁离子源。

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的，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，阳极表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

本发明的目的是提供一种基于空心阴极放电及潘宁放电的复合潘宁离子源，该基于空心阴极放电及潘宁放电相复合的离子源能达到较佳的冷却效果，并能实现均匀稳定的放电。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于空心阴极放电的潘宁离子源，包括阳极筒、阴极网、磁极、绝缘套、阴极座、进气孔、空心阴极板、加速极、陶瓷套；其中空心阴极板固定在阴极座上形成空心阴极放电组件，空心阴极板上设置有多组阵列孔道，阴极座上设置有进气孔及第一水冷腔、空心阴极放电组件内装配有陶瓷套，进气孔及阴极座、陶瓷套、空心阴极板所形成的空腔为匀气腔，空心阴极放电组件通过绝缘套与阳极筒之间螺栓禁锢并实现电位悬浮，磁极套装在阳极筒上，阳极筒设置有第二水冷腔、阴极网(加速极)安装孔，阴极网及加速极结构完全相同，其包括电极绝缘套、电极、栅网，栅网固定在电极上，电极通过电极绝缘套及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒的安装孔上。

本发明的创新机理为：空心阴极板上设置有多组孔道，空心阴极板与阴极网施加同电势负电压，阳极筒加载正电，加速极加载负电，加速极电势大于阴极网电势，进气孔通入工艺气体并经匀气腔匀气后，在一定压强下，空心阴极板上的孔道将会产生辉光放电，放电过程中，孔道内的电子会发生汇聚，受放电孔道形状所限，大量孔道中的电子与孔道中的工艺气体发生碰撞，离化出更多电子，孔道内将出现空心阴极放电效应；空心阴极放电中的电子受阳极筒正电的电场作用，向阳极筒方向运动，阳极下方的阴极网上施加的负电将对运动中的电子产生作用力，将会对向阳极筒加速运动的电子产生反向加速的作用(电子在向阳极筒运动过程中，环形正电场加速电子，而阴极网负电场将会产生反向作用力，先对其减速，随后可实现电子反向加速运动的现象)，同时阳极筒上施加有单一极向的磁场或电磁线圈(轴向磁场)，电子在向阳极运动的过程中，受磁场的影响，发生螺旋运动，同时也限制了电子直接在径向方向上射向阳极筒，在电场和磁场的共同作用下，电子的运动路径增大，其有效运动行程加长，可发生多次碰撞，形成更多的电子及离子；放电过程产生的离子在电场作用下可穿过阴极网上的孔洞，并进一步受到加速极电场的加速，向离子源出口处溢出。

进一步设置为：潘宁离子源设置有两个水冷腔，其中第一水冷腔为阴极座多板焊接形成的冷却腔，可对绝缘套、陶瓷套、空心阴极板冷却；阳极筒内焊接有环形隔条所形成的第二水冷腔，可对阳极筒、安装孔及磁极进行冷却。

进一步设置为：潘宁离子源的空心阴极放电组件，施加负电压，阴极网及加速极为负电位，加速极电势大于阴极网，阳极筒为正电位，空心阴极放电组件施加的负电压与阴极网上的负电压电势相同。

进一步设置为：所述磁极的磁场既可以为以永磁体所形成的单一极性磁场，也可以为线圈绕制单相线圈，单相线圈为正弦、余弦、三角、矩形多种波形的频率、电压可调的电磁线圈。

进一步设置为：所述绝缘套为L型绝缘套，可将阳极筒及空心阴极放电组件进行绝缘包覆，材料优选聚四氟乙烯、聚苯酯；陶瓷套可对阴极座内腔进行绝缘包覆，同时陶瓷套为多孔陶瓷，其设置有大量烧制形成的孔道，可吸附工艺气体，有利于实现工艺气体的稳定均匀输出。

进一步设置为：所述阴极网及加速极结构相同，其包括电极绝缘套、电极、栅网，栅网固定在电极上，电极通过电极绝缘套及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒的安装孔上。

进一步设置为：阴极网及加速极上设置的孔道相互贯通可做为离子通道，栅网既可以为不锈钢扎花网，也可以为不锈钢网孔板。

进一步设置为：所述空心阴极板为高熔点、低逸出功、低溅射产额的金属板，优选钽、钨中的一种，其厚度为6-20mm。

进一步设置为：所述空心阴极板上设置有一定数量的阵列孔道，作为空心阴极放电源，其孔道直径为0.5-5mm。

综上所述，本发明提供的一种基于空心阴极放电的潘宁离子源具有以下实质性区别和显著性进步：

1)本发明利用空心阴极放电及潘宁放电效应，可在阳极筒内实现放电电子的级联碰撞可为真空腔室提供高能大束流稳定电子流。

2)本发明设置有单一极向(电磁)磁场，可高效的增大放电过程中的电子运动行程，进一步发生级联碰撞，产生更多的电子。

3)本发明设置有两个水冷腔，一个水冷腔冷却空心阴极组件，一个水冷腔可冷却阳极筒及加速极、阴极网真空密封组件，可有效实现空心阴极组件、阳极筒、阴极网、加速极的冷却，提高放电的稳定性。

4)本发明利用阴极网及加速极上设置的贯通的孔道实现放电过程中的离子的引出及加速，并采用高熔点、低逸出功、低溅射产额的空心阴极板为放电板，可高效稳定的输出大束流电子，同时减少溅射的发生，降低溢出的金属粒子对真空镀膜过程中的金属粒子流的污染。

5)本发明利用放电钨丝叠加的负电压及阳极筒正电压加速放电热电子、阴极网实现电子的反向加速，可有效在放电区内实现电子的振荡式运动，极大的增加了电子的有效运动行程，同时阴极网可引出离子，加速极可对阴极网引出的离子进行加速射向真空腔室，采用三组电极及磁场相互作用，可将电子数量增加几个数量级。

通过采用上述技术方案，利用空心阴极放电及潘宁放电相结合及套装在阳极筒上的磁体可有效增大电子的运动行程，多种技术的复合使用，极大的提升了空心阴极放电的利用效率，增加电子在碰撞放电腔内的有效行程，可极大的提升与工艺气体的碰撞次数，碰撞将会产生更多的电子及提升等离子体的浓度，可为真空镀膜工艺过程输出大束流离子。

附图说明

图1为基于空心阴极放电的潘宁离子源的剖面图；

图2为基于空心阴极放电的潘宁离子源的刨面图；

图3为基于空心阴极放电的潘宁离子源的剖视图；

图4.1为单一极性磁场的磁极立体图；

图4.2为电磁线圈的磁极立体图；

图5为阴极网(加速极)的刨面图；

图6为基于空心阴极放电的潘宁离子源各个部件施加负载示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1至图3所示：一种基于空心阴极放电的潘宁离子源1，包括阳极筒11、阴极网12、磁极13、绝缘套14、阴极座15、进气孔16、空心阴极板17、加速极18、陶瓷套19；其中空心阴极板17 固定在阴极座15上形成空心阴极放电组件102，空心阴极板17上设置有多组阵列孔道01，阴极座15上设置有进气孔16及第一水冷腔 103、空心阴极放电组件102内装配有陶瓷套19，进气孔16及阴极座15、陶瓷套19、空心阴极板17所形成的空腔为匀气腔101，空心阴极放电组件102通过绝缘套14与阳极筒11之间螺栓禁锢并实现电位悬浮，磁极13套装在阳极筒11上，阳极筒11设置有第二水冷腔 104、阴极网(加速极)安装孔105，阴极网12及加速极18结构完全相同，其包括电极绝缘套001、电极002、栅网003，栅网003固定在电极002上，电极002通过电极绝缘套001及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒11的安装孔105上。

潘宁离子源1设置有两个水冷腔，其中第一水冷腔103为阴极座 15多板焊接形成的冷却腔，可对绝缘套14、陶瓷套19、空心阴极板 17进行冷却；阳极筒11内焊接有环形隔条所形成的第二水冷腔104，可对阳极筒11、安装孔105及磁极13进行冷却。

绝缘套14为L型绝缘套，可将阳极筒11及空心阴极放电组件 102进行绝缘包覆；陶瓷套19可对阴极座内腔进行绝缘包覆，同时陶瓷套19为多孔陶瓷，其设置有大量烧制形成的孔道，可吸附工艺气体，有利于实现工艺气体的稳定均匀输出。

阴极座15上的进气孔16可通入工艺气体，工艺气体在匀气腔 101内的陶瓷套19的孔道内发生不停的发生气体吸附解吸过程，有效的降低气体分子直接进入空心阴极板放电孔道01内，有效改善气体分布的均匀性。

参见图5所示：阴极网12及加速极18为相同结构的组件，其包括电极绝缘套001、电极002、栅网003，栅网003固定在电极002 上，电极002通过电极绝缘套001及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒11的安装孔105上。电极绝缘套001为L型设计，其边缘略大于阳极筒11上的安装孔105深度，对阳极筒安装孔的包覆，从而实现加速极与阳极筒、阴极网与阳极筒之间的电位绝缘。

下面将结合具体实施例对本发明具体工作方式进行说明。

实施例一

参见图4.1所示：磁极13的磁场为以永磁体所形成的单一极性磁场，单一极向磁场是由同极性的磁铁形成的套装在阳极筒11上的磁组，其磁场方向平行于轴向方向，电子在单一极向的磁场作用下，受磁场影响，电子螺旋运动，增大了在阳极筒放电腔的有效行程，提升了与工艺气体碰撞的次数，同时产生了更多的电子。

参见图6所示：

空心阴极板17上设置有多组孔道01，空心阴极板17与阴极网 12施加同电势负电压，阳极筒11加载正电，加速极18加载负电，加速极18电势大于阴极网12电势，进气孔16通入工艺气体并经匀气腔101匀气后，在一定压强(0.5-10Pa)下，空心阴极板17上的孔道01将会产生辉光放电，放电过程中，孔道01内的电子会发生汇聚，受放电孔道形状所限，大量孔道01中的电子与工艺气体发生碰撞，离化出更多电子，孔道01内将出现空心阴极放电效应。

空心阴极板17上施加的负电，负电将对孔道01中的空心阴极放电电子进行加速，使其加速向阳极运动；阳极筒11上将施加正电压，阳极上的正电势将对向其方向运动的电子进行加速，然而阳极筒11 上套装有单一极性由同极性永磁铁组成的磁场将会对运动中的热电子产生作用力，使其产生螺旋运动，磁场的存在将使得运动中的电子发生偏转不能直接射向阳极筒。

阴极网12位于阳极筒下方，其施加负电与空心阴极板17同电势，阴极网加载负电，将对阳极筒放电腔104中向阳极筒螺旋运动的电子产生反向加速的作用力。

两个阴极及一个阳极筒(环)及套装在阳极筒上的磁场，相互作用，将对阳极筒放电腔中的电子的运动行程进行几个数量级的加长，从而电子的有效行程变长，即电子在阳极筒放电腔中的碰撞次数骤增，从而可产生更多的电子及离子。

阴极网12对阳极筒11放电腔等离子体中的电子有反向加速的作用，同时其对离子在电场的作用下产生吸引，大量离子向阴极网12 附近运动，而阴极网12上设置有孔道，被吸引的离子大部分穿过孔道，少量与阴极网碰撞吸收重新变为气体。

加速极18对从阴极网12孔道穿出的离子可进一步加速(加速极电势大于阴极网)，阴极网12孔道与加速极18孔道同心，从阴极网 12穿出的离子受加速极18加速并直接穿过加速极，进入真空腔室中。

实施例二

本实施例种的磁极与实施例一的区别为：磁极13的磁场为电磁线圈，为电子源提供稳定可控的电磁场。电磁线圈为常规的单相绕制的电磁线圈，其上可施加正弦、余弦、方波、三角波等各种波形，频率及电流可调的负载，相对应的其可在阳极筒11内形成频率一定的振荡磁场，电子在振荡磁场中的运动，其有效运动行程相较于单一极性磁场来说进一步的加大，可与更多的工艺气体进行碰撞，产生更多的电子。

参见图4.2所示：磁极13的磁场为以永磁体所形成的电磁线圈磁场，单相电磁线圈套装在阳极筒11上的磁组，其磁场方向平行于轴向方向，受电磁线圈波形及频率的影响，磁场方向及大小可发生周期性变化，在阳极筒放电腔内形成振荡磁场，电子在振荡磁场作用下，相较于单一极性永磁体制成的磁场，电子螺旋运动形成将会进一步加长，增大了在阳极筒放电腔的有效行程，提升了与工艺气体碰撞的次数，同时产生了更多的电子。

空心阴极板17上设置有多组孔道01，空心阴极板17与阴极网 12施加同电势负电压，阳极筒11加载正电，加速极18加载负电，加速极18电势大于阴极网12电势，进气孔16通入工艺气体并经匀气腔101匀气后，在一定压强(0.5-10Pa)下，空心阴极板17上的孔道01将会产生辉光放电，放电过程中，孔道01内的电子会发生汇聚，受放电孔道形状所限，大量孔道01中的电子与工艺气体发生碰撞，离化出更多电子，孔道01内将出现空心阴极放电效应。

空心阴极板17上施加的负电，负电将对孔道01中的空心阴极放电电子进行加速，使其加速向阳极运动；阳极筒11上将施加正电压，阳极上的正电势将对向其方向运动的热电子进行加速，然而阳极筒 11上套装有单相线圈磁场形成的振荡磁场将会对运动中的电子产生作用力，使其产生螺旋运动，磁场的存在将使得运动中的电子发生偏转不能直接射向阳极筒。

阴极网12位于阳极筒下方，其施加负电与空心阴极板17同电势，阴极网加载负电，将对阳极筒放电腔104中向阳极筒螺旋运动的电子产生反向加速的作用力。

两个阴极及一个阳极筒(环)及套装在阳极筒上的磁场，相互作用，将对阳极11放电腔中的电子的运动行程进行几个数量级的加长，从而电子的有效行程变长，即电子在阳极筒放电腔中的碰撞次数骤增，从而可产生更多的电子及离子。

阴极网12对阳极筒11放电腔等离子体中的电子有反向加速的作用，同时其对离子在电场的作用下产生吸引，大量离子向阴极网附近运动，而阴极网11上设置有孔道，被吸引的离子大部分穿过孔道，少量与阴极网碰撞吸收重新变为气体。

加速极18对从阴极网12孔道穿出的离子可进一步加速(加速极电势大于阴极网)，阴极网12孔道与加速极18孔道同心，从阴极网 12穿出的离子受加速极18加速并直接穿过加速极，进入真空腔室中。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种基于空心阴极放电的潘宁离子源（1），包括阳极筒（11）、阴极网（12）、磁极（13）、绝缘套（14）、阴极座（15）、进气孔（16）、空心阴极板（17）、加速极（18）、陶瓷套（19）；其中空心阴极板（17）固定在阴极座（15）上形成空心阴极放电组件（102），空心阴极板（17）上设置有多组阵列孔道（01），阴极座（15）上设置有进气孔（16）及第一水冷腔（103）、空心阴极放电组件（102）内装配有陶瓷套（19），进气孔（16）及阴极座（15）、陶瓷套（19）、空心阴极板（17）所形成的空腔为匀气腔（101），空心阴极放电组件（102）通过绝缘套（14）与阳极筒（11）之间螺栓禁锢并实现电位悬浮，磁极（13）套装在阳极筒（11）上，阳极筒（11）设置有第二水冷腔（104）、阴极网安装孔（105），阴极网（12）及加速极（18）结构完全相同，其包括电极绝缘套（001）、电极（002）、栅网（003），栅网（003）固定在电极（002）上，电极（002）通过电极绝缘套（001）及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒（11）的安装孔（105）上。

2.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：潘宁离子源（1）设置有两个水冷腔，其中第一水冷腔（103）为阴极座（15）多板焊接形成的冷却腔，对绝缘套（14）、陶瓷套（19）、空心阴极板（17）进行冷却；阳极筒（11）内焊接有环形隔条所形成的第二水冷腔（104），对阳极筒（11）、安装孔（105）及磁极（13）进行冷却。

3.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：潘宁离子源（1）的空心阴极放电组件（102），施加负电压，阴极网（12）及加速极（18）为负电位，加速极（18）电势大于阴极网（12），阳极筒为正电位，空心阴极放电组件（102）施加的负电压与阴极网（12）上的负电压电势相同。

4.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：所述磁极（13）的磁场为以永磁体所形成的单一极性磁场，或为线圈绕制单相线圈，单相线圈为正弦、余弦、三角、矩形波形的频率、电压可调的电磁线圈。

5.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：所述绝缘套（14）为L型绝缘套，将阳极筒（11）及空心阴极放电组件（102）进行绝缘包覆，材料为聚四氟乙烯、聚苯酯；陶瓷套（19）对阴极座内腔进行绝缘包覆，同时陶瓷套（19）为多孔陶瓷，其设置有大量烧制形成的孔道，吸附工艺气体，有利于实现工艺气体的稳定均匀输出。

6.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：阴极网（12）及加速极（18）上设置的孔道相互贯通作为离子通道，栅网（003）为不锈钢扎花网或不锈钢网孔板。

7.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：所述空心阴极板（17）为高熔点、低逸出功、低溅射产额的金属板，该金属板为钽、钨中的一种，其厚度为6-20mm。

8.根据权利要求1所述的基于空心阴极放电的潘宁离子源，其特征在于：所述空心阴极板（17）上设置有一定数量的阵列孔道，作为空心阴极放电源，其孔道直径为0.5-5mm。

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