CN110993474A - 用于离子源的栅网装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于离子源的栅网装置，包括至少两片栅网和固定每片栅网的栅网套筒，相邻两个栅网套筒通过螺纹连接，通过旋转栅网套筒利用螺纹改变相邻两片栅网之间的相对距离。本发明提供的用于离子源的栅网装置能够简化离子栅网安装步骤，增加离子栅网系统的集成度，在实现快速更换的同时保障离子栅网的安装定位精度，同时利用栅网套筒的旋转调节栅网之间的相对距离，实现离子栅网系统的“变焦”功能，便于维护及更换，节省了时间，提高了工作效率。

Description

用于离子源的栅网装置

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种用于离子源的栅网装置。

背景技术

离子束加工是当代微纳米精密加工的重要工艺之一。它是通过有机气体及它们的混合物辉光放电产生的等离子体，经抽取、成束、加速、中和形成高能高速的中性离子束，在常温或高温超真空环境中对金属、合金、氧化物、化合物、混合材料、半导体、绝缘体、超导体等材料的工件进行抛光、清洗、刻蚀、溅射、沉积、镀膜、注入等微纳米级的超精细加工。

为获得所需的离子束，需将离子束流从放电室拔出，而离子栅网系统是将离子束流从放电室拔出的主要装置。栅网是离子源中用于束流引出及修形的装置，利用石墨或钼制成网状电极，位于离子源出口的前端，通过改变栅网的几何特征、相对位置以及控制栅网上的电势分布，可以将离子束流由离子源放电室中引出，并使其具有一定的空间浓度及空间分布形状。

如图1和图2所示，离子栅网系统中的栅网一般为三栅式结构，分别包括屏栅、加速栅和减速栅，其中屏栅相距等离子体最近，减速栅相距等离子体最远，加速栅位于屏栅与减速栅之间，屏栅的电势最高与等离子体内部的电势相接近，加速栅的电势为负值，减速栅的电势为零。离子束流依次经过三片栅网最终获得一定空间浓度分布的离子束。三栅式结构的栅网对于装调精度要求很高，各栅网之间的距离、各栅网上孔洞的相对偏转角度等都会对离子栅网系统的工作稳定性和对离子束流的控制能力产生较大影响。

目前，在离子源的使用过程中，为保证离子源工作性能需要对其进行维护，此过程中需要拆除栅网并重新安装。对于三栅式离子栅网的安装主要依靠操作人员的经验，装调效率较低且装调精度和重复精度因人而异，若装调不当，会导致离子束流空间分布误差增大，降低加工效率和加工精度。

除此之外，目前的三栅式结构的离子栅网一旦装配完毕，其工作距离与工作性能便已确定，无法针对面形误差的特点进行去除函数的在线调整与优化，即无法实现“变焦”功能，如果需要改变去除函数尺寸、材料去除量等必须更换栅网。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于离子源的栅网装置，采用如下技术方案：

本发明提供的用于离子源的栅网装置，包括：至少两片栅网和固定每片栅网的栅网套筒，相邻两个栅网套筒通过螺纹连接，通过旋转栅网套筒利用螺纹改变相邻两片栅网之间的相对距离。

优选地，栅网为三片，分别为屏栅、加速栅和减速栅。

优选地，栅网套筒由粗连接段和细连接段构成，在粗连接段的内壁上加工有内螺纹，在细连接段的外壁上加工有外螺纹。

优选地，在粗连接段与细连接段形成的台阶处向内部的中空区域延伸有用于固定栅网的台沿。

优选地，栅网为台阶状结构，台阶处将栅网分为外环和内环，外环作为栅网固定托搭接在台沿上，内环具有由孔洞构成的栅网有效作用区域。

优选地，在外环上设置有将外环固定到台沿上的电极片。

优选地，在电极片上固定有至少一个螺柱，以及，在外环上加工有供螺柱穿过的通孔，在台沿上加工有与螺柱螺纹连接的螺纹孔。

优选地，螺柱的数量为两个或三个，在螺柱的数量为两个时，分布在电极片的直径两端，在螺柱的数量为三个时，呈等边三角形分布在电极片上。

优选地，电极片为铜电极片、金电极片或银电极片。

优选地，栅网套筒为绝缘材质。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、以套筒的形式将栅网集成化，从而简化栅网的安装步骤，增加离子栅网系统的集成度。

2、栅网套筒之间为螺纹连接，可以保障栅网安装的定位精度，提高栅网的工作稳定性和对束流的控制能力。

3、在使用过程中栅网位置稳定，保证离子束流空间分布的稳定性和准确性，从而提升离子束加工的加工精度。

4、利用栅网套筒的旋转调节栅网之间的相对距离，可在工作时针对面形误差的特点进行去除函数的在线调整与优化，实现离子栅网系统的“变焦”功能，提高加工效率，保证加工精度。

5、螺纹连接的栅网套筒便于维护及更换，当有栅网损坏时，可将该栅网及安装该栅网的栅网套筒一起拆下，将新的栅网装配到栅网套筒，重新安装上即可使用，节省时间，提高工作效率。

附图说明

图1是栅网的结构示意图；

图2是栅网的电势分布示意图；

图3是根据本发明一个实施例的三栅式栅网装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的栅网套筒的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的栅网的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的电极片的结构示意图。

其中的附图标记包括：屏栅1-1、加速栅1-2、减速栅1-3、栅网固定托1-4、栅网有效作用区域1-5、通孔1-6、栅网套筒2、粗连接段2-1、细连接段2-2、内螺纹2-3、外螺纹2-4、台沿2-5、螺纹孔2-6、电极片3、螺柱3-1。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供一种用于离子源的栅网装置，包括至少两片栅网和与栅网数量相同用于装配栅网的栅网套筒，每片栅网装配在各自对应的栅网套筒内，栅网套筒之间为螺纹连接。

栅网的装配方式为搭接、插接等方式，如为搭接方式，栅网套筒内设置有搭接的凸沿；如为插接方式，栅网套筒内设置有插接的插槽；如果其他装配方式，在栅网套筒内设置相应的结构。

栅网的具体数量根据使用目的而确定，多片栅网层叠设置组成离子栅网系统，将其放置于离子源出口的前端。通过改变栅网的几何特征、相对位置以及控制栅网上的电势分布，可以将离子束流由离子源放电室中引出，并使其服从一定的空间分布。

本发明为了解决人工装调栅网因效率低、精度差引起离子栅网系统的失调，最终导致离子束流空间分布误差增大，降低加工效率和加工精度的问题，采用套筒螺纹连接的方式将栅网装配到一起，实现栅网的集成化，便于后续栅网的维护和更换，节省时间，提供工作效率。

栅网套筒之间通过螺纹连接的一个优势为可以保证栅网的装调精度和重复精度，提高栅网的工作稳定性和对束流的控制能力。另一个优势为可以通过旋转栅网套筒利用螺纹改变相邻两片栅网之间的相对距离，从而实现栅网之间的距离调节。由此可在工作时针对面形误差的特点进行去除函数的在线调整与优化，实现离子栅网系统的“变焦”功能，提高加工效率，保证加工精度。

常用于光学加工离子源中的栅网为三栅式结构，下面以三栅式栅网装置为例，对其结构进行示例性说明，二栅式、四栅式等栅网装置的结构同理可得。

如图3所示，用于离子源的三栅式栅网装置，包括：三片栅网和三个栅网套筒2，三个栅网套筒2的结构相同，且首尾顺次螺纹连接，一片栅网装配在一个栅网套筒2内。

如图4所示，栅网套筒2为变直径的筒状结构，包括一体成型的粗连接段2-1和细连接段2-2，在粗连接段2-1的内壁上加工有内螺纹，在细连接段2-2的外壁上加工有外螺纹，一个栅网套筒2的细连接段2-2旋入另一个栅网套筒2的粗连接段2-1，实现两个栅网套筒2的螺纹连接。

在粗连接段2-1与细连接段2-2形成的台阶处向内部的中空区域延伸有用于固定栅网的台沿2-5。

继续参看图3，三片栅网分别为依序靠近离子源放电室的屏栅1-1、加速栅1-2和减速栅1-3，屏栅1-1距离离子源放电室最近，减速栅1-2距离离子源放电室最远，加速栅1-2位于屏栅1-1与减速栅1-3之间，屏栅1-1的电势为正值，加速栅的电势为负值，减速栅的电势为零。屏栅1-1、加速栅1-2和减速栅1-3除了电势分布不同之外，在结构上无不同之处，下面以三片中的一片栅网为例进行说明。

如图5所示，从二维角度看，栅网的外轮廓为圆形，便于将栅网装配到栅网套筒2内。从三维角度看，栅网为台阶状结构，台阶的高处为外环，台阶的低处为内环，即台阶处将栅网分为外环和内环，外环作为栅网固定托1-4搭接在台沿2-5上，起到将栅网固定于栅网套筒2的作用，内环具有由孔洞构成的栅网有效作用区域1-5，供离子束流通过。

为了实现对栅网的供电，在栅网的栅网固定托1-4上设置有电极片3，电极片3选择由金、银、铜等导电性能好的金属制成，从成本考虑，选择铜材料性价比最高。电极片3的外形与栅网固定托1-4的外形相适配，优选为圆环形。电极片3可以通过导电胶粘贴在栅网固定托1-4上，也可以通过紧固件固定在栅网固定托1-4上。电极片3与离子源供电系统相配合用于控制栅网的电势，将离子源的离子束由离子源放电室中引出，并使其具有一定的空间浓度及空间分布形状。

电极片3优选通过紧固件固定在栅网固定托1-4上，这样电极片3不仅仅起到为栅网供电的作用，还起到将栅网固定到栅网套筒的作用。

如图6所示，在电极片3上固定有至少一个螺柱3-1，在电极片3为圆环形时，螺柱3-1等间距分布在电极片3的圆周上。

在一个具体实施例中，在螺柱3-1的数量为两个时，分布在电极片3的直径两端，在螺柱3-1的数量为三个时，呈等边三角形分布在电极片3上。

参看图1、图4和图6，在栅网固定托1-4上对应于每个螺柱3-1的位置加工有通孔1-6，通孔1-6供螺柱3-1穿过。在台沿2-5上对应于每个螺柱3-1的位置加工有与螺柱3-1相配合的螺纹孔2-6。螺柱3-1向下穿过通孔1-6后旋入螺纹孔2-6，从而将栅网固定托1-4固定到栅网套筒的台沿2-5上，螺柱3-1起到定位与固定栅网的作用，保证栅网的安装定位精度。

由于栅网之间需要做绝缘处理，防止栅网之间连电造成短路，因此本发明实施例中栅网套筒选用橡胶、木质或陶瓷等绝缘材料制成，以保障栅网之间不会连电。

本发明可以旋转栅网套筒2利用螺纹来调节屏栅1-1与加速栅1-2或加速栅1-2与减速栅1-3之间的相对距离，并且可以通过旋转来改变各个栅网有效作用区域1-5的孔洞之间的相对偏转角度，针对面形误差的特点进行去除函数的在线调整与优化，实现离子栅网系统的“变焦”功能，提高加工效率，保证加工精度。

由于栅网装置中装配各栅网的栅网套筒以螺纹方式连接在一起，因此当某一栅网损坏时，可将该损坏的栅网对应的栅网套筒从栅网装置上拆下，并在栅网套筒内换上新的栅网，最后将栅网套筒重新螺纹连接到原位置即可使用，节省时间，提高工作效率。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于离子源的栅网装置，包括至少两片栅网，其特征在于，还包括固定每片栅网的栅网套筒，相邻两个栅网套筒通过螺纹连接，通过旋转所述栅网套筒利用螺纹改变相邻两片栅网之间的相对距离。

2.根据权利要求1所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，所述栅网为三片，分别为屏栅、加速栅和减速栅。

3.根据权利要求1或2所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，所述栅网套筒由粗连接段和细连接段构成，在所述粗连接段的内壁上加工有内螺纹，在所述细连接段的外壁上加工有外螺纹。

4.根据权利要求3所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，在所述粗连接段与所述细连接段形成的台阶处向内部的中空区域延伸有用于固定所述栅网的台沿。

5.根据权利要求4所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，所述栅网为台阶状结构，台阶处将所述栅网分为外环和内环，所述外环作为栅网固定托搭接在所述台沿上，所述内环具有由孔洞构成的栅网有效作用区域。

6.根据权利要求5所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，在所述外环上设置有将所述外环固定到所述台沿上的电极片。

7.根据权利要求6所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，在所述电极片上固定有至少一个螺柱，以及，在所述外环上加工有供所述螺柱穿过的通孔，在所述台沿上加工有与所述螺柱螺纹连接的螺纹孔。

8.根据权利要求7所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，所述螺柱的数量为两个或三个，在所述螺柱的数量为两个时，分布在所述电极片的直径两端，在所述螺柱的数量为三个时，呈等边三角形分布在所述电极片上。

9.根据权利要求6所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，所述电极片为铜电极片、金电极片或银电极片。

10.根据权利要求1所述的用于离子源的栅网装置，其特征在于，所述栅网套筒为绝缘材质。

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