CN109860008A - 基于热电子放电的潘宁离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热电子放电的潘宁离子源，其包括：热丝电极组件、放电腔、绝缘套、阳极筒组件、阴极网、加速极、磁极，其主要是通过利用热丝电极组件导电受热后发生热丝放电，并通过阳极筒、阴极网之间形成潘宁放电，电子在放电腔及阳极筒内受电场及磁场的作用下实现往复式运动，电子的运动行程被极大的拉长，其有效碰撞次数指数性增大，并受加速极的加速向真空腔室内输出大束流粒子流，其中热丝电极组件及放电腔内设置有三个水冷腔，可高效冷却热丝放电过程中产生的热量；本发明具有以下优点和效果：本发明通过将潘宁放电与热丝放电相结合，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

基于热电子放电的潘宁离子源

技术领域

本发明涉及一种潘宁离子源，特别涉及一种基于热电子放电的潘宁离子源。

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热电子放电的潘宁离子源，该基于热电子放电及潘宁放电相复合的离子源能达到最佳的冷却作用，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：

一种基于热电子放电的潘宁离子源，包括热丝电极组件、放电腔、阳极筒组件、磁极、阴极网、加速极、绝缘座；其中热丝电极组件包括放电钨丝、钨丝固定套、钨丝座、进水管、接线板、钨丝座绝缘座、钨丝座压盖，进水管及钨丝座形成第一冷却腔；放电腔包括固定座及放电座，热丝电极组件通过带有绝缘套的螺栓将钨丝座压盖、钨丝座绝缘座及钨丝座固定在固定座上，固定座与放电座通过螺栓禁锢形成放电腔，并可通过带有绝缘套的螺栓与绝缘套及阳极筒组件禁锢，固定座设置有第二冷却腔，放电座设置有第三冷却腔；阳极筒组件包括连接板、阳极筒，阳极筒通过ISO标准密封圈与连接板实现真空密封及禁锢，连接板通过绝缘套禁锢在放电座上，阳极筒上套装磁极，阴极网及加速极套装在阳极筒上的安装孔，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：钨丝加载低电压（直流、交流）大电流、放电腔电位悬浮、阳极筒加载正电、阴极网及加速极加载负电，加速极电势大于阴极网电势，钨丝受热并发射电子，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：潘宁离子源设置有三个水冷腔，其中第一水冷腔通过进水管与钨丝座螺纹紧固形成的冷却腔；固定座上设置有围绕两组热丝电极组件的第二冷却腔；放电座上设置有具有环形隔水条的第三冷却腔；第一冷却腔可直接对热丝电极组件进行冷却，第二冷却腔可对热丝电极组件中的进行间接冷却，第三冷却腔可对热丝电极组件放电过程中的热辐射及阳极筒组件的绝缘密封组件进行冷却。

进一步设置为：潘宁离子源的放电钨丝施加热丝电源，并可叠加负电压，放电腔为电位悬浮，阴极网及加速极为负电位，阳极筒为正电位，加速极电势大于阴极网，放电钨丝上叠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：所述绝缘套及电极绝缘套为L型绝缘套，分别将放电座及阳极筒上的安装孔进行绝缘包覆。

进一步设置为：所述阴极网及加速极结构相同，其上设置的孔道相互贯通做为离子通道，并通过绝缘密封固定在阳极筒上，并实现电位绝缘。

进一步设置为：所述放电座上设置有进气孔道、连接板安装孔、放电座固定孔，连接板安装孔设置为沉头孔可装配带有绝缘套的螺栓，同时设置有放电座固定螺纹孔。

进一步设置为：所述绝缘套及电极绝缘套为绝缘耐高温材料，优选聚四氟乙烯、聚苯酯。

进一步设置为：所述栅网为高熔点、低逸出功、低溅射产额的金属网孔板，优选钽、钨中的一种。

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

1）本发明利用热电子发射及潘宁放电效应，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）本发明设置有三个水冷腔，第一冷却腔及第二冷却腔可实现热电子发射电极的高效冷却，同时第三冷却腔可实现放电腔及阳极筒组件的冷却，多个冷却腔的设置，可高效冷却复合离子源及真空绝缘密封组件，使之能稳定高效的工作。

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、低溅射产额的金属板做为放电板，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，利用热电子迸发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，极大的提升了迸射的热电子的利用效率，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为基于热电子放电的潘宁离子源的立体图；

图2为基于热电子放电的潘宁离子源的刨面图；

图3为基于热电子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为电磁线圈示意图；

图5为放电座的结构示意图；

图6为阴极网（加速极）的刨面图;

图7为基于热电子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：一种基于热电子放电的潘宁离子源1，包括热丝电极组件11、放电腔12、阳极筒组件13、磁极14、阴极网15、加速极16、绝缘座17；其中热丝电极组件11包括放电钨丝110、钨丝固定套111、钨丝座112、进水管113、接线板114、钨丝座绝缘座115、钨丝座压盖116，进水管113及钨丝座112形成第一冷却腔101；放电腔12包括固定座121及放电座122，热丝电极组件11通过带有绝缘套的螺栓将钨丝座压盖116、钨丝座绝缘座115及钨丝座112固定在固定座121上，固定座121与放电座122通过螺栓禁锢形成放电腔12，并可通过带有绝缘套的螺栓与绝缘套17及阳极筒组件13禁锢，固定座121设置有第二冷却腔102，放电座122设置有第三冷却腔103；阳极筒组件13包括连接板131、阳极筒132，阳极筒132通过ISO标准密封圈与连接板131实现真空密封及禁锢，连接板131通过绝缘套17禁锢在放电座上，阳极筒132上套装磁极14，阴极网15及加速极16套装在阳极筒上的安装孔，其包括电极绝缘套105、电极106、栅网107，栅网107固定在电极106上，电极106通过电极绝缘套105及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒132的安装孔上。

潘宁离子源1设置有三个水冷腔，其中第一水冷腔101通过进水管113与钨丝座112螺纹紧固形成的冷却腔；固定座121上设置有围绕两组热丝电极组件11的第二冷却腔102；放电座132上设置有具有环形隔水条的第三冷却腔103；第一冷却腔101可直接对热丝电极组件11进行冷却，第二冷却腔102可对热丝电极组件11中的进行间接冷却，第三冷却腔103可对热丝电极组件11放电过程中的热辐射及阳极筒组件13的绝缘密封组件进行冷却。

绝缘套17为阳极筒组件13中连接座131及放电座122之间的电位绝缘及真空密封件，绝缘套17为L型设计，其边缘略大于放电座122在放电腔内的边缘，实现对放电座122的包覆，从而将电位悬浮的放电腔12及阳极筒组件13进行电位绝缘及真空密封。

参见图5所示：放电座132上设置有进气孔道001、连接板安装孔002、放电座固定孔003，连接板安装孔设置为沉头孔可装配带有绝缘套的螺栓，同时设置有放电座固定螺纹孔003，连接板安装孔002上套装带有绝缘套的禁锢螺丝固定阳极筒组件13，放电座固定孔003为螺纹孔可将固定座121与放电座122禁锢实现真空密封。

参见图6所示：阴极网15及加速极16 为相同结构的组件，其包括电极绝缘套105、电极106、栅网107，栅网107固定在电极106上，电极106通过电极绝缘套105及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒132的安装孔上。电极绝缘套105为L型设计，其边缘略大于阳极筒13上的安装孔深度，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14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132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104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7所示：圆形电子源1中的热丝电极组件上的两个电极上的钨丝110施加低电压大电流（直流电、交流电），钨丝受热，钨丝中的电子动能增加，在其动能超过电子逸出能时，大量电子从钨丝表面逸出。

钨丝110上将叠加负电压，负电将对热迸射出的电子进行加速，使其加速向阳极运动；阳极筒上将施加正电压，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132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。

阴极网位于阳极筒下方，其施加与钨丝上叠加的负电同电势，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104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104中的碰撞次数骤增，从而可产生更多的电子及离子。

阴极网15对阳极筒13放电腔104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15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16对从阴极网15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15孔道与加速极16孔道同心，从阴极网15穿出的离子受加速极16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14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132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14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132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104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104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7所示：圆形电子源1中的热丝电极组件上的两个电极上的钨丝110施加低电压大电流（直流电、交流电），钨丝受热，钨丝中的电子动能增加，在其动能超过电子逸出能时，大量电子从钨丝表面逸出。

钨丝110上将叠加负电压，负电将对热迸射出的电子进行加速，使其加速向阳极运动；阳极筒上将施加正电压，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132上套装有单相线圈磁场形成的振荡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。

阴极网位于阳极筒下方，其施加与钨丝上叠加的负电同电势，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104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104中的碰撞次数骤增，从而可产生更多的电子及离子。

阴极网15对阳极筒13放电腔104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15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16对从阴极网15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15孔道与加速极16孔道同心，从阴极网15穿出的离子受加速极16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 (9)

1.一种基于热电子放电的潘宁离子源，包括热丝电极组件（11）、放电腔（12）、阳极筒组件（13）、磁极（14）、阴极网（15）、加速极（16）、绝缘座（17）；其中热丝电极组件（11）包括放电钨丝（110）、钨丝固定套（111）、钨丝座（112）、进水管（113）、接线板（114）、钨丝座绝缘座（115）、钨丝座压盖（116），进水管（113）及钨丝座（112）形成第一冷却腔（101）；放电腔（12）包括固定座（121）及放电座（122），热丝电极组件（11）通过带有绝缘套的螺栓将钨丝座压盖（116）、钨丝座绝缘座（115）及钨丝座（112）固定在固定座（121）上，固定座（121）与放电座（122）通过螺栓禁锢形成放电腔（12），并可通过带有绝缘套的螺栓与绝缘套（17）及阳极筒组件（13）禁锢，固定座（121）设置有第二冷却腔（102），放电座（122）设置有第三冷却腔（103）；阳极筒组件（13）包括连接板（131）、阳极筒（132），阳极筒（132）通过密封圈与连接板（131）实现真空密封及禁锢，连接板（131）通过绝缘套（17）禁锢在放电座上，阳极筒（132）上套装磁极（14），阴极网（15）及加速极（16）套装在阳极筒上的安装孔，其包括电极绝缘套（105）、电极（106）、栅网（107），栅网（107）固定在电极（106）上，电极（106）通过电极绝缘套（105）及带有绝缘套的螺栓禁锢在阳极筒（132）的安装孔上。

2.根据权利要求1所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：潘宁离子源（1）设置有三个水冷腔，其中第一水冷腔（101）通过进水管（113）与钨丝座（112）螺纹紧固形成的冷却腔；固定座（121）上设置有围绕两组热丝电极组件（11）的第二冷却腔（102）；放电座（132）上设置有具有环形隔水条的第三冷却腔（103）；第一冷却腔（101）可直接对热丝电极组件（11）进行冷却，第二冷却腔（102）可对热丝电极组件（11）中的进行间接冷却，第三冷却腔（103）可对热丝电极组件（11）放电过程中的热辐射及阳极筒组件（13）的绝缘密封组件进行冷却。

3.根据权利要求1所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：潘宁离子源（1）的放电钨丝（110）施加热丝电源，并可叠加负电压，放电腔（12）为电位悬浮，阴极网（15）及加速极（16）为负电位，加速极（16）电势大于阴极网（15），阳极筒为正电位，放电钨丝（110）上叠加的负电压与阴极网（15）上的负电压电势相同。

4.根据权利要求1所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：所述磁极（14）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。

5.根据权利要求1所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：所述绝缘套（17）及电极绝缘套（105）为L型绝缘套，分别将放电座（122）及阳极筒（13）上的安装孔进行绝缘包覆。

6.根据权利要求5所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：所述阴极网（15）及加速极（16）结构相同，其上设置的孔道相互贯通做为离子通道，并通过绝缘密封固定在阳极筒（132）上，并实现电位绝缘。

7.根据权利要求1所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：放电座（132）上设置有进气孔道、连接板安装孔、放电座固定孔，连接板安装孔设置为沉头孔可装配带有绝缘套的螺栓，同时设置有放电座固定螺纹孔。

8.根据权利要求5所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：所述绝缘套（17）及电极绝缘套（105）为绝缘耐高温材料，优选聚四氟乙烯、聚苯酯。

9.根据权利要求5所述的基于热电子放电的潘宁离子源，其特征在于：所述栅网（107）为高熔点、低逸出功、低溅射产额的金属网孔板，优选钽、钨中的一种。