CN112086330A - 高能量离子源 - Google Patents

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郭方准
石晓倩
朱美强
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Abstract

本发明提供一种高能量离子源。本发明涉及超高真空设备开发领域。高能量离子源主要由离子聚焦机构、离子产生与引导机构、电子发射机构、氩气进入机构和角度可调机构组成。在这个核心构造里要产生氩离子，并完成对离子的加速和聚焦。本发明的离子产生与引导机构是由引出上覆盖栅网构成，该引导孔相对于氩离子处于负电压，电压值在数百至数千伏特之间可调。离子引导孔不仅可以加速氩离子，也可以约束离子束流的指向；本发明的离子聚焦机构采用三个互相绝缘的静电透镜，通过调节中间透镜可变电阻来调节离子束，进行进一步的约束；本发明的角度可调机构采用还可保证进气管与进气孔同轴心调形成团簇原子。本发明能够很好地约束离子束流的指向。

Description

高能量离子源
技术领域
本发明涉及产生、发射和聚焦氩离子的装置，尤其涉及种高能量离子源。
背景技术
固体表面的原子由于失去了本体原子的排列周期性，会表现出一系列不同的物理和化学性质。表面科学的研究内容主要包括表面状态、表面扩散、表面重建、表面声子、表面等离子激元、电子的发射和隧道效应、自旋电子、以及自组装和纳米结构等。获得和控制表面原子精度的构造，是表面科学的基础，也是纳米科技的前提。典型的表面处理手段有解离、退火和离子溅射，而退火和离子溅射几乎是表面分析仪器的标准配置。退火相对简单，只要能实现精准的温度控制即可。离子溅射需要通过离子枪来实现，离子枪将质量大且不活性的氩(Ar)原子离子化后加速到数千电子伏特，聚焦照射到样品表面，用于样品的表面清洁处理、表面刻蚀或深度分析，是表面分析和纳米科技装置中的重要构成之一，但是现有的离子设备离子束聚焦程度偏低，实验效果不佳。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种结构简单、使用寿命长、束流方向可调、耐高温烘烤和使用方便的高能量离子源。本发明采用的技术手段如下：
一种高能量离子源，包括离子聚焦机构、离子产生与引导机构、电子发射机构和氩气进入机构，所述氩气进入机构的输出端与准备腔室相连，所述氩气进入机构用于将氩气采用脉冲方式通入到准备腔室中，所述准备腔室的上方通过第二进气孔与电子发射机构相连，所述电子发射机构包括离子发生网和用于通电释放出热电子的灯丝，所述电子发射机构用于通过灯丝与离子发生网之间存在的电位差将电子束缚在离子发生网内部，所述离子产生与引导机构包括设置于所述电子发射机构输出端的引出极，其相对于氩离子处于负电压，所述离子产生与引导机构的输出端与离子聚焦机构相连，所述离子聚焦机构包括聚焦透镜，其用于对经过电子发射机构、离子产生与引导机构的离子束进一步约束。
进一步地，所述灯丝包括直径为0.125mm的钽丝，处于负高压，两端与灯丝杆相连。
进一步地，灯丝为两根，共同使用一个公用电极。
进一步地，所述离子发生网为不锈钢栅网，围成一个圆柱形状，离子发生网对于灯丝处于正电位，电压值在数百至数千伏特之间可调。
进一步地，电子发射机构的输入端、输出端均安装有法兰，所述第二进气孔与法兰连接，法兰的外侧套接有外罩。
进一步地，所述引出极为外罩前端的离子引导孔上覆盖的栅网，其与聚焦透镜相邻。
进一步地，所述聚焦透镜包括第一圆筒电极、第二圆筒电极和第三圆筒电极构成，相邻圆筒电极之间设有绝缘片，聚焦透镜的外侧设有绝缘外罩，所述第二圆筒电极处于正电压，其可以通过电压改变电阻进行调节离子束，第一圆筒电极和第三圆筒电极接地处于零电位。
进一步地，还包括角度可调机构，所述角度调节机构用于将第一进气孔和第二进气孔调整为同轴。
进一步地，高能量离子源选用的材料为304不锈钢和聚四氟乙烯。
本发明具有以下优点：
1、引出极是在外罩的前端离子引导孔上覆盖栅网，相对于氩离子处于负电压，氩离子被聚焦透镜吸引飞出引出极，部分被引出极捕捉，大部分穿过引出极喷射出去，引出极不仅可以加速氩离子，也可以约束离子束流的指向；
2、静电聚焦透镜是由三个互相绝缘的圆筒电极(不锈钢材质)构成，中间的电极处于正电压，两侧的电极接地而处于零电位，中间电极的电压通过可变电阻来调节离子束，进行进一步约束；
3、氩气导入的优势在于能够使原子形成团簇，电离后产生团簇离子源，有利于表面达到更好的平滑效果；
4、本发明的离子能量最高可达到20kv，束流强度可达到50mA。
5、本发明由于高能量离子源选用的材料为SUS304和聚四氟乙烯，所以可耐220℃的高温烘烤。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高能量离子源的内部结构示意图。
图2是本发明高能量离子源的外部结构示意图。
图3为本发明俯视图。
图4为图3的A-A剖视图。
图5是热电子放出和加速示意图。
图6是静电聚焦透镜示意图。
图中：1、离子聚焦机构；2、离子产生与引导机构；3、电子发射机构；4、氩气进入机构；5、角度调节机构；6、第一圆筒电极；7、第一绝缘片；8、第二圆筒电极；9、绝缘外罩；10、第二绝缘片；11、第三圆筒电极；12、第三绝缘片；13、引出极；14、离子发生网；15、灯丝；16、法兰；17、外罩；18、灯丝杆；19、腔室外罩；20、第二进气口；21、支撑杆；22、绝缘底座；23、准备腔室；24、第一进气口；25、电极法兰。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～4所示，本发明实施例公开了一种高能量离子源，包括离子聚焦机构1、离子产生与引导机构2、电子发射机构3和氩气进入机构4，所述氩气进入机构的输出端与准备腔室23相连，所述氩气进入机构用于将氩气采用脉冲方式通过第一进气口24通入到准备腔室中，气体膨胀会冷却形成团簇原子，最后形成团簇离子源。所述准备腔室的上方通过第二进气孔20与电子发射机构相连，所述电子发射机构包括离子发生网14和用于通电释放出热电子的灯丝15，所述电子发射机构用于通过灯丝与离子发生网之间存在的电位差将电子束缚在离子发生网内部，所述离子产生与引导机构包括设置于所述电子发射机构输出端的引出极13，其相对于氩离子处于负电压，所述离子产生与引导机构的输出端与离子聚焦机构相连，所述离子聚焦机构包括聚焦透镜，其用于对经过电子发射机构、离子产生与引导机构的离子束进一步约束。
所述灯丝包括直径为0.125mm的钽丝，处于负高压，两端与灯丝杆18相连。
灯丝为两根，共同使用一个公用电极，电极通过两侧的电极法兰25引出，以便于在发生一根灯丝短线的情况下不用破坏真空环境使用另一根备用灯丝。
所述离子发生网为不锈钢栅网，围成一个圆柱形状，离子发生网对于灯丝处于正电位，电压值在数百至数千伏特之间可调。
电子发射机构的外部套接有外罩17，电子发射机构的输入端通过支撑杆21安装在绝缘底座22上，整体的外部套接有腔室外罩19，该腔室与所述准备腔室相连，腔室的上、下方均安装有法兰16，所述第二进气孔与下法兰连接，法兰的外侧套接有外罩。
所述引出极为外罩前端的离子引导孔上覆盖的栅网，其与聚焦透镜相邻，氩离子被聚焦透镜C吸引飞出引出极，部分被引出极捕捉，大部分穿过引出极喷射出去。引出极不仅可以加速氩离子，也可以约束离子束流的指向。
所述聚焦透镜包括第一圆筒电极6、第二圆筒电极8和第三圆筒电极11构成，相邻圆筒电极之间设有绝缘片，具体为第一绝缘片7、第二绝缘片10和第三绝缘片12，聚焦透镜的外侧设有绝缘外罩9，所述第二圆筒电极处于正电压，其可以通过电压改变电阻进行调节离子束，第一圆筒电极和第三圆筒电极接地处于零电位。
还包括角度可调机构5，所述角度调节机构用于将第一进气孔和第二进气孔调整为同轴，具体可选用XY工作台，通过2个角度旋钮的调节。
高能量离子源非绝缘部分的材料均为SUS304不锈钢，绝缘部分材料为聚四氟乙烯。
如图5所示热电子放出和加速示意图，一定能量的电子碰撞氩原子使其离子化。电子使气体分子离子化的过程为：
M+e-→M++2e-(1)
其中M是被离子化的中性气体分子，e-是电子，M+是离子。
通过加热电阻丝而放出热电子，在电阻丝附近设置相对高电压的阳极栅网。如果阳极栅网和电阻丝之间的电位差为U，则电子被加速并获得动能eU。大多数电子被束缚在阳极栅网中。从垂直于热电子加速运动的方向导入惰性气体氩气(Ar)，被加速的电子引起中性氩原子周围电场的剧烈变化，促使其按式(1)的过程失去一个电子而被离子化。
离子束的聚焦采用静电聚焦透镜的方式，其基本原理如图6所示。从A点进入透镜的氩离子，在到达中间电极之前被减速，穿过中间电极之后被加速到最初的能量，最后射出聚焦透镜。从A出发的离子在B点受到向外的力，在C点受到向内的力，因此，在B点离子束发散，在C点离子束聚焦。虽然B和C点的力大小相同，但是靠近C点后氩离子的轴向速度减小，聚焦的效果大于发散的效果。氩离子穿过中间电极后，在D点聚焦，在E点发散。从整体效果上看，离子束被聚焦。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高能量离子源，其特征在于，包括离子聚焦机构、离子产生与引导机构、电子发射机构和氩气进入机构，所述氩气进入机构的输出端与准备腔室相连，所述氩气进入机构用于将氩气采用脉冲方式通入到准备腔室中，所述准备腔室的上方通过第二进气孔与电子发射机构相连，所述电子发射机构包括离子发生网和用于通电释放出热电子的灯丝，所述电子发射机构用于通过灯丝与离子发生网之间存在的电位差将电子束缚在离子发生网内部，所述离子产生与引导机构包括设置于所述电子发射机构输出端的引出极，其相对于氩离子处于负电压，所述离子产生与引导机构的输出端与离子聚焦机构相连，所述离子聚焦机构包括聚焦透镜，其用于对经过电子发射机构、离子产生与引导机构的离子束进一步约束。
2.根据权利要求1所述的高能量离子源，其特征在于，所述灯丝包括直径为0.125mm的钽丝，处于负高压，两端与灯丝杆相连。
3.根据权利要求2所述的高能量离子源，其特征在于，灯丝为两根，共同使用一个公用电极。
4.根据权利要求1所述的高能量离子源，其特征在于，所述离子发生网为不锈钢栅网，围成一个圆柱形状，离子发生网对于灯丝处于正电位，电压值在数百至数千伏特之间可调。
5.根据权利要求1所述的高能量离子源，其特征在于，电子发射机构的输入端、输出端均安装有法兰，所述第二进气孔与法兰连接，法兰的外侧套接有外罩。
6.跟据权利要求5所述的高能量离子源，其特征在于，所述引出极为外罩前端的离子引导孔上覆盖的栅网，其与聚焦透镜相邻。
7.跟据权利要求1或6所述的高能量离子源，其特征在于，所述聚焦透镜包括第一圆筒电极、第二圆筒电极和第三圆筒电极构成，相邻圆筒电极之间设有绝缘片，聚焦透镜的外侧设有绝缘外罩，所述第二圆筒电极处于正电压，其可以通过电压改变电阻进行调节离子束，第一圆筒电极和第三圆筒电极接地处于零电位。
8.跟据权利要求1所述的高能量离子源，其特征在于，还包括角度可调机构，所述角度调节机构用于将第一进气孔和第二进气孔调整为同轴。
9.跟据权利要求1所述的高能量离子源，其特征在于，高能量离子源选用的材料为304不锈钢和聚四氟乙烯。
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