CN110846624A - 一种新型阳极层离子源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型阳极层离子源，包括位于轴心位置的内阴极，环绕在所述内阴极外侧的外阴极，所述内阴极和所述外阴极之间的间隙为离子束流通道；均匀排列在内阴极与外阴极之间的永磁体；位于所述内阴极和所述外阴极之间且环绕所述内阴极的阳极环，开设在所述阳极环内的通气孔，开设在所述阳极环上且连通所述通气孔的通气狭缝，所述通气狭缝朝向所述离子束流通道。通过改变离子源的通气方式，减少工作气体与阳极接触，从而降低工作气体对阳极造成污染和附着物吹出造成对沉积涂层的污染。

Description

一种新型阳极层离子源

技术领域

本发明涉及真空镀膜设备领域，尤其涉及的是一种新型阳极层离子源。

背景技术

在PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)反应中通常会用到一种阳极层离子源，在类金刚石薄膜(DLC)沉积过程中，阳极层离子源用于离化惰性气体如氩气，使其形成离子流射入到反应真空腔体中，并增大沉积反应气体(乙炔)的离化率，进而提高DLC涂层中SP3的比例和沉积速率，从而提高沉积薄膜的质量以及缩短沉积的时间。

现有的阳极层离子源包括内阴极，内阴极是带有倒角的圆盘，内阴极带有倒角的部分为磁极靴，在内阴极的外圈设置外阴极，在内外阴极的下方设置一个环形的阳极，在围绕外阴极下方一周放置永磁体，并与内阴极形成磁轭。在阳极上加以正电压，内阴极和外阴极接地时，阴阳极之间形成电场，从而形成正交的电场与磁场。电磁场的耦合影响了等离子体中带电粒子的运动情况，尤其对电子的影响最大。电磁场起到的作用是限制电子的运动，延长了电子的运动轨迹，使电子约束在内外阴极之间的环形范围内，在这个范围内做旋轮漂移运动，这样电子就好像是被困在这个环形的“跑道”上，只能在这个环形封闭的“跑道”上周而复始地漂移。

大量的电子在“跑道”上漂移，形成了一个环形高密度电子云，当有气体被注入到存在漂移电子云的环形跑道上时，惰性气体分子与电子碰撞的几率大大增加，因此惰性气体分子会被高效地离化。同时这个环形高密度电子云的存在使得在阳极板表面形成一个电势梯度很高的阳极层，当惰性气体在环形电子云中被离子化后，立刻就会被这个高电势梯度推动并沿着阳极板表面的法线方向发射出去，从而成为所需要的高能带电正离子。

如图7所示，现有的离子源中采用的通气方式为在离子源底部通入工作气体，工作气体的路径会经过阳极的外表面，一方面会有工作气体在等离子体和热的作用下沉积在阳极表面形成污染，另一方面后续气流会将沉积在阳极表面的不牢固的附着物吹出，沉积到涂层上形成大颗粒污染。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种新型阳极层离子源，通过改变离子源的通气方式，减少工作气体与阳极接触，从而降低工作气体对阳极表面造成的污染和污染物被吹出造成的涂层污染，提高离子源工作寿命和沉积涂层质量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种新型阳极层离子源，其中，包括有：

位于轴心位置的内阴极，环绕在所述内阴极外侧的外阴极，所述内阴极和所述外阴极之间的间隙为离子束流通道；

均匀排列在外阴极与内阴极之间，且位于外阴极下方一周的永磁体；

位于所述内阴极和所述外阴极之间且环绕所述内阴极的阳极环，开设在所述阳极环内的通气孔，开设在所述阳极环上且连通所述通气孔的通气狭缝，所述通气狭缝方向朝向所述离子束流通道。

进一步，所述阳极环朝向所述离子束流通道的一端内侧边缘处设置为阳极倒角，所述通气狭缝位于所述阳极环朝向所述离子束流通道的端面与所述阳极倒角边的相交处。

进一步，所述内阴极的磁极靴朝向阳极倒角的一端边缘处开设有阴极倒角，所述阴极倒角与所述阳极倒角平行。

进一步，所述阳极内部设置有匀气室，所述匀气室连通所述通气孔和所述通气狭缝，所述匀气室内设置有匀气板，所述匀气板上设置有匀气孔。

进一步，靠近所述通气孔位置的匀气孔直径小于远离所述通气孔位置的匀气孔直径。

进一步，所述阳极环上连接有两个通气管，所述通气孔开设在通气管中，所述两个通气管沿离子源轴心对称设置。

进一步，所述通气狭缝宽度为0.5～1.5mm。

进一步，所述阳极环为采用导电且不导磁材料制作的条形环状体或圆形环状体，所述内阴极与外阴极均采用导磁材料制作。

进一步，所述永磁体为柱状的永磁铁或电磁铁，所述永磁体一端抵靠所述外阴极下表面，所述永磁体另一端与所述内阴极的磁轭连接。

进一步，还包括有底板，设置在所述底板上方且与所述内阴极同轴的永磁铁安装架，位于所述阳极环下方且与所述通气孔同轴的限高柱，所述阳极环的通气孔贯通所述限高柱且延伸贯通所述底板，位于所述通气孔贯通所述底板的位置上设置有密封组件。

采用上述方案的有益效果是：本发明提出的一种新型阳极层离子源。其中，工作气体通过阳极环内的通气孔直接出气，工作气体经通气狭缝均匀射向电磁耦合区，工作气体直接从阳极环外表面射出，极少部分的气体与阳极环上靠内阴极一侧的表面进行接触，大部分气体进入电磁耦合区进行离子化处理。减少了阳极层离子源镀膜的过程中活性气体对阳极环、内阴极、离子源其他部件的污染及粘结不牢的污染物被吹出造成的涂层污染。与此同时，也可以效改善离子束在加工、加热、清洗、刻蚀、溅射和离子注入等工艺过程中的均匀性和洁净度。

附图说明

图1是本发明的一种新型阳极层离子源实施例的通气管位置的剖视图。

图2是图1的A部放大图。

图3是本发明的一种新型阳极层离子源实施例的进水管位置的剖视图。

图4是本发明的一种新型阳极层离子源实施例中匀气板的俯视图。

图5是本发明的一种新型阳极层离子源实施例中的磁场分布图。

图6是本发明的一种新型阳极层离子源实施例中的气体流向图。

图7是现有技术中的气体流向图。

图8是本发明的一种新型阳极层离子源实施例中的一种内阴极的俯视图。

图9是本发明的一种新型阳极层离子源实施例中的一种外阴极的俯视图。

图10是本发明的一种新型阳极层离子源实施例中的一种阳极环的俯视图。

图中：100、内阴极；110、内阴极倒角；200、外阴极；210、离子束流通道；300、永磁体；400、阳极环；410、阳极倒角；420、通气管；430、通气孔；440、通气狭缝；500、匀气室；510、匀气板；520、匀气孔；600、底板；610、永磁铁安装架；620、限高柱；700、密封组件；800、离子源外壳；900、进水管；910、出水管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本实施例提供一种新型阳极层离子源，新型阳极层离子源为轴对称设置，包括有位于轴心位置的内阴极100，在所述内阴极100外侧设置有外阴极200，所述外阴极200环绕在内阴极100外侧一周，所述内阴极100和所述外阴极200之间设置有间隙，该间隙为用于离子束流射出的离子束流通道210，本实施例中的外阴极200具体位于内阴极100的外侧上方位置；所述内阴极100与外阴极200均采用导磁材料制作，在内阴极100与外阴极200之间均匀排列有多个永磁体300，本实施例中具体为16个，所述永磁体300环绕在外阴极下方100一周，所述永磁体300为柱状的永磁铁或电磁铁，本实施例的具体结构中，所述永磁体300一端抵靠所述外阴极200下表面，所述永磁体300另一端与所述内阴极100的磁轭连接。位于所述内阴极100和所述外阴极200之间设置有阳极环400，所述阳极环400环绕所述内阴极100，所述阳极环400为采用导电且不导磁材料制作，阳极环400可以为无磁不锈钢或铬镍钛合金材料，本实施例的具体结构中，所述内阴极100为圆柱形、外阴极200为圆环形，阳极环400采用圆形环状结构，新型阳极层离子源的其他部件为配合内阴极100、外阴极200和阳极环400的形状进行设置。易于想到的是，内阴极100不仅限于圆柱形，也可以为方形，如图8所示的条形跑道形、或关于轴心对称的其他形状；外阴极200和阳极环400不仅限于圆形环状结构，也可为如图9、图10所示的环状跑道形或关于轴心对称的其他环状结构。所述内阴极100位于所述阳极环400的上方，所述内阴极100的下表面高于所述阳极环400的上表面。所述阳极环400、内阴极100、以及外阴极200形成放电腔。在所述阳极环400内开设有通气孔430，通气孔430用于连接外部提供的工作气体，在所述阳极环400上开设有通气狭缝440，通气狭缝440连通所述通气孔430，所述通气狭缝440朝向所述离子束流通道210，外部工作气体从通气孔430中进入阳极环400内，由通气狭缝440喷射入放电腔中；所述通气狭缝440宽度为0.5～1.5mm，本实施例中狭缝宽度为1mm。

本方案中，如图1、图5所示，通过在内阴极100与外阴极200之间设置的永磁体300，形成一个闭合的磁回路，在内阴极100和外阴极200之间形成一个与阳极倒角面平行的磁场。阳极环400接正电压形成阳极，内阴极100和外阴极200接地形成阴极，在阴极和阳极之间的区域内形成一个电场，即在阳极环400与内阴极100、阳极环400与外阴极200之间形成一个电场，该电场方向和磁场方向垂直，形成电磁耦合场，在该电磁耦合场的作用下，电子云团可以在这个电磁耦合场的范围内进行封闭漂移，从而使碰撞次数增加，从而使得离化率显著增加。高密度电子云的存在使得在阳极环400表面形成一个电势梯度很高的阳极层，当工作气体在环形电子云中被离子化后，立刻就会被这个高电势梯度推动并沿着阳极板表面的法线方向发射出去，从而成为所需要的高能带电正离子。如图6所示，由于工作气体通过阳极环400内的通气孔430直接出气，工作气体经通气狭缝440均匀射向电磁耦合场，工作气体直接从阳极环400外表面射出，极少部分的气体与阳极环400上靠内阴极100一侧的表面进行接触，大部分气体进入电磁耦合区进行离子化处理。减少了阳极层离子源镀膜的过程中活性气体对阳极环400、内阴极100、离子源其他部件的污染及粘结不牢的污染物被吹出造成的涂层污染。与此同时，也可以有效改善离子束在加工、加热、清洗、刻蚀、溅射和离子注入等工艺过程中的均匀性和洁净度。

如图1、图2所示，所述阳极环400朝向所述离子束流通道210的一端内侧边缘处设置为阳极倒角410。当阳极环400采用圆环形的结构时，所述阳极倒角410面为锥面，所述离子束流通道210同时也是内阴极100的磁极靴与外阴极200的磁极靴之间形成的阴极缝隙，阴极缝隙(离子束流通道210)关于中心轴线轴对称，阴极缝隙每处的出射方向与该处下方的阳极环400的阳极倒角410面几乎垂直，永磁体300产生的磁场经过外阴极200和内阴极100在内外阴极200形成的阴极缝隙处释放。阳极环400的阳极倒角410表面形成一个电势梯度很高的阳极层，当惰性气体在环形电子云中被离子化后，被高电势梯度推动并沿着阳极倒角410的表面的法线方向发射出去，从而成为所需要的高能带电正离子，由于阳极倒角410的表面的法线方向是向轴心集中，因此使整个离子束向轴心聚合，避免离子流过于发散并偏离中心轴线方向，从而避免导致沉积辅助效应过于分散，离子束流不够集中，沉积速率较慢的缺点。所述通气狭缝440位于所述阳极环400朝向所述离子束流通道210的端面与所述阳极倒角410边的相交处，在端面与阳极倒角410处设置通气狭缝440，使工作气体进入到电磁耦合区后产生离子束，由于阳极倒角410的避空作用，产生的离子束朝向内阴极100的方向运动时，不会接触到阳极环400朝向内阴极100一侧的端面上，使工作气体不经过阳极环外表面，从而降低工作气体对阳极表面造成的污染，进一步提高产生离子束的洁净度。

所述内阴极100的磁极靴朝向阳极倒角410的一端边缘处开设有阴极倒角110，所述阴极倒角110与所述阳极倒角410平行。阴极倒角110的设置，可以减少内阴极100的磁极靴的外圆表面的面积，从而减少离子束与内阴极100外圆表面的接触，进一步改善离子束的清洁度。

所述阳极环400内部设置有匀气室500，所述匀气室500连通所述通气孔430和所述通气狭缝440，匀气室500用于把通气孔430中的工作气体进行集中，所述阳极环400上连接可连接多个通气管420，本实施例中，通气管420设置成两个，所述通气孔430为通气管420的内腔，即通气孔430设置有两个，两个通气孔430连通到匀气室500中，所述两个通气管420沿离子源轴心对称设置，这样可以使匀气室500中的工作气体分布更均匀。在所述匀气室500内设置有匀气板510，匀气板510位于所述通气狭缝440和所述通气管420之间且把匀气室500分为两个部分，所述匀气板510上设置有匀气孔520，匀气孔520关于轴心对称分布，匀气孔520连通匀气室500的两部分，工作气体先通过通气孔430进入到匀气室500的下部空间，再穿过匀气板510进入上部空间，所述匀气板510对工作气体进行缓冲，进一步实现匀气，上部空间中均匀的工作气体从通气狭缝440中流出，进入到电磁耦合场中进行离化。

如图3、图4所示，在匀气板510上的匀气孔520中靠近所述通气孔位置的匀气孔直径小于远离所述通气孔位置的匀气孔直径，即越是远离通气孔430处的匀气孔直径越大且越密集，越是靠近通气孔430处的匀气孔直径越小且越稀疏。气体通过对称分布的通气孔430进入匀气室500，在匀气室500内经过匀气板510上的匀气孔520，匀气孔520根据气体的流动规律设置，使工作气体能均匀的进入到通气狭缝440并进入到放电室，从而达到匀气的目的。匀气效果经过模拟后加以测试，效果良好。如此便可使气体在经过匀气室500后，经过阳极环400上锥形的阳极倒角410面和端面相交界处的通气狭缝440出来后，进入电磁耦合场时布气均匀、气体速度一致，从而促使放电区内放电均匀、放电稳定，避免放电区中出现打火等影响镀膜的不良现象。

如图4所示，所述阳极环内部还连接有进水管900和出水管910，所述进水管900和所述出水管910关于中心轴线对称设置，所述匀气室500与所述阳极环400的内壁之间留有间隙，所述进水管900和所述出水管910的通道与该间隙进行连通，形成冷却通道，冷却水从进水管中进入到匀气室500与所述阳极环400的内壁之间的间隙中，对阳极环和匀气室进行冷却。

本方案中的新型阳极层离子源还包括有底板600，所述底板600采用圆盘形，内阴极100同轴固定设置在底板600的中间位置，在所述底板600上方设置有永磁铁安装架610，永磁铁安装架610与所述内阴极100同轴设置，所述永磁体300安装在所述永磁铁安装架610上，位于所述底盘上方与阳极下表面下方且与所述进水管900、出水管910和通气管同轴处设置有限高柱620，所述通气管420、进水管900、出水管910贯通所述限高柱620并且延伸贯通所述底板600，所述限高柱620使内阴极100与阳极环400间隔开，在所述进水管900、出水管910和通气管420贯通所述底板600的位置上设置有密封组件700，所述密封组件700用于密封通气管420和进水管900、出水管910与底板600之间的间隙，在底板600上安装有离子源外壳800，所述离子源外壳800套设在所述永磁铁安装架610外侧，离子源外壳800上部套设在所述外阴极200外侧。新型阳极层离子源优选为关于中心轴线形成的轴对称结构，对称结构的整体磁场分布均匀、构造简单、易于加工。

综上所述，本发明提供一种新型阳极层离子源，工作气体通过阳极环400内的通气孔430直接出气，工作气体经通气狭缝440均匀射向电磁耦合区，工作气体直接从阳极环400外表面射出，极少部分的气体与阳极环400上靠内阴极100一侧的表面进行接触，大部分气体进入电磁耦合区进行离子化处理。减少了阳极层离子源镀膜的过程中活性气体对阳极环400、内阴极100、以及离子源其他部件的污染，同时避免了离子源放电室内的部件表面粘结不牢的污染物被吹出造成的污染。可以有效改善离子束在加工、加热、清洗、刻蚀、溅射和离子注入等工艺过程中的均匀性和洁净度。同时阳极环400的阳极倒角410表面形成一个电势梯度很高的阳极层，当惰性气体在环形电子云中被离子化后，被高电势梯度推动并沿着阳极倒角410的表面的法线方向发射出去，从而成为所需要的高能带电正离子，由于阳极倒角410的表面的法线方向是向轴心集中，因此使整个离子束向轴心聚合，避免离子流过于发散并偏离中心轴线方向，从而避免导致沉积辅助效应过于分散，离子束流不够集中，沉积速率较慢的缺点。

综上，满足此原理的阳极层离子源结构均应属本专利保护范围，而不受具体出气口尺寸、位置、离子源其他部件的材料、尺寸、形状与其他变形结构影响。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型阳极层离子源，其特征在于，包括有：

位于轴心位置的内阴极，环绕在所述内阴极外侧的外阴极，所述内阴极和所述外阴极之间的间隙为离子束流通道；

均匀排列在内阴极与外阴极之间的永磁体；

位于所述内阴极和所述外阴极之间且环绕所述内阴极的阳极环，开设在所述阳极环内的通气孔，开设在所述阳极环上且连通所述通气孔的通气狭缝，所述通气狭缝朝向所述离子束流通道。

2.根据权利要求1所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述阳极环朝向所述离子束流通道的一端内侧边缘处设置为阳极倒角，所述通气狭缝位于所述阳极环朝向所述离子束流通道的端面与所述阳极倒角边的相交处。

3.根据权利要求2所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述内阴极的磁极靴朝向阳极倒角的一端边缘处开设有阴极倒角，所述阴极倒角与所述阳极倒角平行。

4.根据权利要求1所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述阳极内部设置有匀气室，所述匀气室连通所述通气孔和所述通气狭缝，所述匀气室内设置有匀气板，所述匀气板上设置有匀气孔。

5.根据权利要求4所述的新型阳极层离子源，其特征在于，靠近所述通气孔位置的匀气孔直径小于远离所述通气孔位置的匀气孔直径。

6.根据权利要求1所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述阳极环上连接有两个通气管，所述通气孔开设在通气管中，所述两个通气管沿离子源轴心对称设置。

7.根据权利要求1所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述通气狭缝宽度为0.5～1.5mm。

8.根据权利要求1所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述阳极环为采用导电且不导磁材料制作；所述内阴极与外阴极均采用导磁材料制作。

9.根据权利要求1所述的新型阳极层离子源，其特征在于，所述永磁体为柱状的永磁铁或电磁铁，所述永磁体一端抵靠所述外阴极下表面，所述永磁体另一端与所述内阴极的磁轭连接。

10.根据权利要求1-9任一所述的新型阳极层离子源，其特征在于，还包括有底板，设置在所述底板上方且与所述内阴极同轴的永磁铁安装架，位于所述阳极环下方的限高柱，所述通气孔贯通所述限高柱且延伸贯通所述底板，位于所述通气孔贯通所述底板的位置上设置有密封组件。

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