CN113512709A - 一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置。本发明的目的是获得具有工作物质利用率高，离子束中金属离子的含量高与使用寿命长等特点的难熔金属离子的带状束，从而达到高效率高质量生长难熔金属薄膜的目的。采用本发明提供的方案可以实现具有典型的磁控溅射系统及具有交叉电场和磁场的阴极区域的放电，由于集中在一个区域内，通过强阴极溅射获得气态工作物质，有效地离子化了溅射的原子，并选择了生成的离子进入电子束，从而提供了积极的效果。当产生金属离子的带状束时，本发明的优点可以充分地体现出来。
Description
技术领域
本发明涉及金属离子溅射技术领域，具体涉及一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置。
背景技术
目前对于含有难熔金属及其合金的离子溅射一般都采用等离子体对于平面金属靶进行轰击，例如，磁控溅射方法，磁控溅射是物理气相沉积(Physical VaporDeposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而上世纪70年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。但是现有技术这种方法还存在溅射薄膜的效率低与薄膜质量等多方面的问题。为了解决上述效率低和薄膜质量差的问题，亟需一种技术方案可以通过优化的方法实现含有难熔金属及其合金的离子溅射，并形成强带状束的离子束的装置。
发明内容
本发明提供一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置，用以解决效率低和薄膜质量差的问题。
本发明提供一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置，该装置包括：离子源、第一磁性系统、第二磁性系统和电源；
所述离子源包括阳极、阴极和中间电极，所述中间电极包括由铁磁棒和磁轭形成的具有环形收缩空间的电极；所述阴极围成工作腔，设置于所述阳极的垂直位置上；所述电源的一端连接所述阳极，另一端连接所述阴极；
所述第一磁性系统包括：铁磁棒、磁轭、磁路和第一线圈；所述磁路、磁轭均设置有通孔，所述铁磁棒插入所述通孔中，所述铁磁棒的第一端连接所述磁轭，所述铁磁棒的第二端连接所述磁路，所述磁路和磁轭之间的所述铁磁棒的四周设置所述阳极，所述第一线圈位于所述磁轭了磁路形成的空间内；所述第一磁性系统在狭槽中产生径向磁场；所述空心阴极对应所述铁磁棒的位置设置有第一通孔；所述第一通孔的直径大于所述磁路、磁轭的通孔的直径；
所述第二磁性系统包括：第一铁磁性盘壁、第二铁磁性盘壁和第二线圈；所述第一铁磁性盘壁和所述第二铁磁性盘壁形成线圈空间，所述第二线圈设置于所述线圈空间中；所述第一铁磁性盘壁和所述第二铁磁性盘壁对应所述第一通孔的位置上均设置有开孔，由所述开孔形成发射通道；所述发射通道的侧壁上设置有由离子溅射材料制成的插入件。
可选的，还包括加速电极，所述加速电极设置于所述发射通道对应的位置，所述加速电极的通道的截面形状与所述发射通道的截面形状相同。
可选的，所述电源包括第一电源单元和第二电源单元；
所述电源的一端连接所述阳极，另一端连接所述阴极，包括：所述第一电源单元的正极连接所述阴极，所述第一电源单元的负极连接所述阳极；所述第二电源单元的正极连接所述阴极，所述第二电源单元的负极连接所述第二磁性系统。
可选的，还包括中间电极绝缘体，所述中间电极绝缘体设置于所述磁轭和第一铁磁性盘壁之间，使所述中间电极、阴极和第二磁性系统之间电隔离。
可选的，所述阴极包括玻璃材料，所述具有玻璃材料的阴极部分面向所述阳极。
可选的，所述发射通道的截面形状为椭圆形，所述第二磁性系统具有朝向所述发射通道中心凸出的拱形磁场。
可选的，所述第二磁性系统中两个磁极之间的距离满足以下公式：
其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，2a是两个磁极的厚度，b是椭圆的半短轴的长度，t是插入件的厚度；
或者，所述第二磁性系统中两个磁极之间的距离满足以下公式：
其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，b是椭圆的半短轴的长度。
可选的，所述椭圆形截面的短轴长度2b大于两倍的阴极宽度。
可选的，所述椭圆形截面的短轴长度2b大于或等于2mm。
可选的，该装置处于工作状态时，所述电源被接通后，在狭缝槽中形成具有封闭电子漂移的收缩放电，该狭缝槽具有在致密阳极和稀疏阴极等离子体之间形成双静电层的结构；阴极的等离子体通过静电层与空心阴极的壁隔开，静电层的电压为100V，为放电电压的一半。
本发明提供了一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置，本发明的目的是获得具有工作物质利用率高，离子束中金属离子的含量高与使用寿命长等特点的难熔金属离子的带状束，从而达到高效率高质量生长难熔金属薄膜的目的。具体的，采用本发明提供的方案可以实现具有典型的磁控溅射系统及具有交叉电场和磁场的阴极区域的放电，由于集中在一个区域内，通过强阴极溅射获得气态工作物质，有效地离子化了溅射的原子，并选择了生成的离子进入电子束，从而提供了积极的效果。当产生金属离子的带状束时，本发明的优点可以充分地体现出来。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置的结构示意图。
其中，1，阳极；2，铁磁棒；3，磁轭；4，磁路；5，第一线圈，6，阴极；7，第一铁磁性盘壁；8，第二铁磁性盘壁；9，第二线圈；；10，插入件；11，发射通道；12，加速电极；13，中间电极绝缘体；14，第一电源单元；15，第二电源单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本发明实施例提供了一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置，图1为本发明实施例中一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置的结构示意图，请参照图1，该装置包括以下几个部分：
离子源、第一磁性系统、第二磁性系统和电源；
所述离子源包括阳极1、阴极6和中间电极，所述中间电极包括由铁磁棒2和磁轭3形成的具有环形收缩空间的电极；所述阴极6围成工作腔，设置于所述阳极1的垂直位置上；所述电源的一端连接所述阳极1，另一端连接所述阴极6；
所述第一磁性系统包括：铁磁棒2、磁轭3、磁路4和第一线圈5；所述磁路4、磁轭3均设置有通孔，所述铁磁棒2插入所述通孔中，所述铁磁棒2的第一端连接所述磁轭3，所述铁磁棒2的第二端连接所述磁路4，所述磁路4和磁轭3之间的所述铁磁棒2的四周设置所述阳极1，所述第一线圈5位于所述磁轭3了磁路4形成的空间内；所述第一磁性系统在狭槽中产生径向磁场；所述空心阴极6对应所述铁磁棒2的位置设置有第一通孔；所述第一通孔的直径大于所述磁路4、磁轭3的通孔的直径；
所述第二磁性系统包括：第一铁磁性盘壁7、第二铁磁性盘壁8和第二线圈9；所述第一铁磁性盘壁7和所述第二铁磁性盘壁8形成线圈空间，所述第二线圈9设置于所述线圈空间中；所述第一铁磁性盘壁7和所述第二铁磁性盘壁8对应所述第一通孔的位置上均设置有开孔，由所述开孔形成发射通道11；所述发射通道11的侧壁上设置有由离子溅射材料制成的插入件10。
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是用于获得含有难熔金属及其合金的金属离子的强带状束的装置，并且可以用于离子注入，或在真空和气体中沉积给定材料的薄膜等科学研究方向。所述离子束注入是通过电场加速离子注入到固体中，造成物理、化学，特别是电属性改变的一种材料加工过程，也称为离子束加工。离子束注入用于半导体器件制造、金属抛光以及各种材料科学研究中。如果注入离子与靶材料不同，停止在靶中的注入离子将改变靶材料的化学成分。注入离子传递动能给靶材料中的电子或者原子核，导致靶材料晶格损伤。如果注入离子能量高于库伦势垒，会引起核反应，引起材料化学成分变化。
另外，本发明的目的是获得具有高利用率的工作物质和束中金属离子含量高并延长使用寿命的难熔金属带状束。离子源基于独立的放电，以交叉方式收缩电场和磁场，具有相同孔径的阴极6，附加磁系统的磁极之间的距离满足相应的关系。
具体的，离子源包含由非磁性材料制成的阳极1，在铁磁棒2和磁轭3之间具有环形收缩间隙的中间电极。用于在狭槽中产生径向磁场的第一磁性系统，该第一磁性系统包括铁磁棒2，磁轭3，磁路4和第一线圈5。玻璃材料形成空心的阴极6，所述阴极6的玻璃材料的底面朝向阳极1，其直径超过磁轭3中的孔的直径，具有发射孔的第一铁磁性盘壁7是电绝缘的，在所述第一铁磁性盘壁7和第二铁磁性盘壁8对应的位置均制有相同的中心孔，并且它们与第二线圈9一起形成所述第二磁性系统，该第二磁性系统具有朝向孔的中心凸出的拱形磁场。
第一铁磁性盘壁7和第二铁磁性盘壁8此乃工程的中心空的孔壁上，有一个由离子形成材料制成的插入件10，所述插入件10的高度与高度为h的磁极间隙重叠。垂直于离子源轴的方向决定了电子束横截面的几何形状。为了获得带状离子束，发射通道11的横截面必须具有细长的形状。偏心率接近于1的椭圆形截面最适合组织细长的发射通道11中的闭合电子漂移。所以，所述第一铁磁性盘壁7和第二铁磁性盘壁8上的孔应为偏心率接近1的椭圆形。
其中，铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。
此外，磁轭3通常指本身不生产磁场(磁力线)、在磁路4中只起磁力线传输的软磁材料、磁轭3普遍采用导磁率比较高的软铁、A3钢以及软磁合金来制造，在某些特殊场合，磁轭3也有用铁氧体材料来制造的。磁轭3是硅钢片垒叠制成的轭铁，它均匀对称地分面在感应圈的四周，它的作用是约束感应圈漏磁向外扩散，提高感应加人的效率，另外作为磁屏蔽减少炉架等金属构件的发热，还起到加固感应器的作用。
另外，以下介绍所述离子源的工作原理：
在维持放电所需的收缩空间中建立了伴随的气体流速和磁感应。在从电源施加电压之后，在限制收缩间隙的壁与阳极1之间引起低电流放电。当电源单元被接通时，即使在没有电压的情况下，在狭缝槽中也会形成具有封闭电子漂移的收缩放电，该狭缝槽具有在致密阳极1和稀疏阴极6等离子体之间形成双静电层的结构。阴极6等离子体通过静电层与空心阴极6的壁隔开，静电层的电压约为100V，约为放电电压的一半。发射通道11的宽度2b，其中b是椭圆孔的半短轴的长度，要求发射通道11的宽度2b必须超过阴极6宽度的几倍(大于2倍)，发射通道11的宽度2b约为2mm宽才能使阴极6等离子体穿透到发射通道11中。
当将磁场引入第二磁性系统中时，在插入件10的壁上形成具有交叉的电场和磁场的区域，从而限制了发射通道11。磁感应强度大小实际上使磁场不影响离子轨迹。来自阴极6等离子体的离子渗透到发射通道11中，以及部分离子被来自阳极1等离子体的双重静电层加速。在插入件10的壁附近被电场加速，对其进行轰击并击落插入材料的原子以及电子。这些电子落入交叉的电场和磁场区域并沿轨迹移动，接近摆线。由于发射通道11横截面的椭圆形，电子漂移关闭。它们由于碰撞而从插入件10的壁移动。电离碰撞的结果是电子将溅射的原子和残留的气体原子电离。
从电源施加电压导致插入件10壁处的电压降增加，这通过增加电子的能量而增加了发射通道11中电子的电离能力，并增加了插入件10材料的溅射效率，即提高了电子发射率，也就是分压。因此，通过本实施例采用的方案设置一种金属离子源，包括一个阳极1，一个带有收缩环形槽的中间电极，一个第二磁性系统，一个带有至少一个用于离子提取的出口的阴极6，以金属腔室的形式制成空心化的加速电极12。不同于为了获得具有较高的工作物质利用率的难熔金属离子的带状束，由于增加了束中金属离子的含量，在阴极6和加速电极12之间引入了带有中心孔的圆盘(椭圆形状)。在该区域中具有工作物质的原子增长.
在发射通道11中形成的离子被部分地选择进入射束中，其余的离子轰击插入物，并有助于电离电子的再生和插入物材料的溅射。
由于工作物质的体积增加，所提出的源提供了溅射靶材更长的寿命(长达100小时)的数量级，当获得带状离子束时，由于提高了工作物质的利用率，数量级提高了一个量级，金属离子集中生成区及其电流在一个区域(在发射通道11中)提取。
上述技术方案的有益效果为：本发明的目的是获得具有工作物质利用率高，离子束中金属离子的含量高与使用寿命长等特点的难熔金属离子的带状束，从而达到高效率高质量生长难熔金属薄膜的目的。具体的，采用本发明提供的方案可以实现具有典型的磁控溅射系统及具有交叉电场和磁场的阴极6区域的放电，由于集中在一个区域内，通过强阴极6溅射获得气态工作物质，有效地离子化了溅射的原子，并选择了生成的离子进入电子束，从而提供了积极的效果。当产生金属离子的带状束时，本发明的优点可以充分地体现出来。
实施例2：
在实施例1的基础上，该装置还包括加速电极12，所述加速电极12设置于所述发射通道11对应的位置，所述加速电极12的通道的截面形状与所述发射通道11的截面形状相同。
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是为了从放电等离子体中选择离子并使其成为带状束，需使用具有相应形状通孔的加速电极12。所述加速电极12设置于所述发射通道11对应的位置，所述加速电极12的通道的截面形状与所述发射通道11的截面形状相同。该截面形状选择为偏心率接近1的椭圆形。
上述技术方案的有益效果为：本发明的目的是获得具有工作物质利用率高，离子束中金属离子的含量高与使用寿命长等特点的难熔金属离子的带状束，从而达到高效率高质量生长难熔金属薄膜的目的。具体的，采用本发明提供的方案可以实现具有典型的磁控溅射系统及具有交叉电场和磁场的阴极6区域的放电，由于集中在一个区域内，通过强阴极6溅射获得气态工作物质，有效地离子化了溅射的原子，并选择了生成的离子进入电子束，从而提供了积极的效果。当产生金属离子的带状束时，本发明的优点可以充分地体现出来。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述电源包括第一电源单元14和第二电源单元15；
所述电源的一端连接所述阳极1，另一端连接所述阴极6，包括：所述第一电源单元14的正极连接所述阴极6，所述第一电源单元14的负极连接所述阳极1；所述第二电源单元15的正极连接所述阴极6，所述第二电源单元15的负极连接所述第二磁性系统。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：采用本实施例提供的方案是辅助放电的第一磁性系统由第一电源单元14供电，第二磁性系统连接到第二电源单元15的负极，即第一铁磁性盘壁7和第二铁磁性盘壁8以及第二线圈9处于相同电势，以便将工作物质有效的喷射强电离电流提取区。
另外，设置第二电源单元15施加电压导致插入件10壁处的电压降增加，这通过增加电子的能量而增加了发射通道11中电子的电离能力，并增加了插入件10材料的溅射效率，即提高了电子发射率，也就是分压。在从第一电源单元14施加电压之后，在限制收缩间隙的壁与阳极1之间引起低电流放电。当第二电源单元15被接通时，即使在没有电压的情况下，在狭缝槽中也会形成具有封闭电子漂移的收缩放电，该狭缝槽具有在致密阳极1和稀疏阴极6等离子体之间形成双静电层的结构。
实施例4：
在实施例1的基础上，该装置还包括还包括中间电极绝缘体13，所述中间电极绝缘体13设置于所述磁轭3和第一铁磁性盘壁7之间，使所述中间电极、阴极6和第二磁性系统之间电隔离。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：本实施例采用的方案是通过阳极1上的孔来进行引发和维持中空阴极6与阳极1之间的辅助放电所需的相应气体的入口。放电室通过发射通道11被泵出，中间电极绝缘体13可用于中间电极，阴极6的玻璃材质和第二磁性系统的电隔离。
实施例5：
在实施例1的基础上，所述阴极6包括玻璃材料，所述具有玻璃材料的阴极6部分面向所述阳极1。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：本实施例采用的方案是玻璃材料形成空心的阴极6，所述阴极6的玻璃材料的底面朝向阳极1，其直径超过磁轭3中的孔的直径。因此，可以形成电极之间的电隔离，并且形成工作腔。
实施例6：
在实施例1的基础上，所述发射通道11的截面形状为椭圆形，所述第二磁性系统具有朝向所述发射通道11中心凸出的拱形磁场。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：当将磁场引入第二磁性系统中时，在插入件10的壁上形成具有交叉的电场和磁场的区域，从而限制了发射通道11。磁感应强度大小实际上使磁场不影响离子轨迹。来自阴极6等离子体的离子渗透到发射通道11中，以及部分离子被来自阳极1等离子体的双重静电层加速。在插入件10的壁附近被电场加速，对其进行轰击并击落插入材料的原子，以及电子。这些电子落入交叉的电场和磁场区域并沿轨迹移动，接近摆线。由于发射通道11横截面的椭圆形，电子漂移关闭。它们由于碰撞而从插入件10的壁移动。电离碰撞的结果是电子将溅射的原子和残留的气体原子电离。
实施例7：
在实施例6的基础上，所述第二磁性系统中两个磁极之间的距离满足以下公式：
其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，2a是两个磁极的厚度，b是椭圆的半短轴的长度，t是插入件10的厚度；
或者，所述第二磁性系统中两个磁极之间的距离满足以下公式：
其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，b是椭圆的半短轴的长度。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：本实施例采用的方案是发射通道11的几何形状的最佳条件是比率为h/2b＝1或应用于磁性系统的磁极时，(h+2a)/2(b-t)＝1，其中，磁极的厚度2a应尽可能小，以减少离子在磁极壁上的损失。具体的，设计狭缝的形状为椭圆形，阴极6壁具有相同的孔，第二磁性系统的磁极，在其间插入离子形成材料的插入件10，磁极的两极之间的距离h必须满足关系(h+2a)/2(b-t)＝1。其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，2a是两个磁极的厚度，b是椭圆的半短轴的长度，t是插入件10的厚度，该插入件10完全弥合了极间隙，并且第二磁性系统被电隔离，并对它施加一个相对于阴极6的负电位。
实施例8：
在实施例6的基础上，所述椭圆形截面的短轴长度2b大于两倍的阴极6宽度。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：本实施例采用的方案是发射通道11的几何形状的最佳条件是比率为h/2b＝1或应用于磁性系统的磁极时，(h+2a)/2(b-t)＝1，其中，磁极的厚度2a应尽可能小，以减少离子在磁极壁上的损失。具体的，设计狭缝的形状为椭圆形，阴极6壁具有相同的孔，第二磁性系统的磁极，在其间插入离子形成材料的插入件10，磁极的两极之间的距离h必须满足关系(h+2a)/2(b-t)＝1。其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，2a是两个磁极的厚度，b是椭圆的半短轴的长度，t是插入件10的厚度，该插入件10完全弥合了极间隙，并且第二磁性系统被电隔离，并对它施加一个相对于阴极6的负电位。
实施例9：
在实施例7的基础上，所述椭圆形截面的短轴长度2b大于或等于2mm。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：本实施例采用的方案是发射通道11的几何形状的最佳条件是比率为h/2b＝1或应用于磁性系统的磁极时，(h+2a)/2(b-t)＝1，其中，磁极的厚度2a应尽可能小，以减少离子在磁极壁上的损失。具体的，设计狭缝的形状为椭圆形，阴极6壁具有相同的孔，第二磁性系统的磁极，在其间插入离子形成材料的插入件10，磁极的两极之间的距离h必须满足关系(h+2a)/2(b-t)＝1。其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，2a是两个磁极的厚度，b是椭圆的半短轴的长度，t是插入件10的厚度，该插入件10完全弥合了极间隙，并且第二磁性系统被电隔离，并对它施加一个相对于阴极6的负电位。
实施例10：
在实施例6的基础上，该装置处于工作状态时，所述电源被接通后，在狭缝槽中形成具有封闭电子漂移的收缩放电，该狭缝槽具有在致密阳极1和稀疏阴极6等离子体之间形成双静电层的结构；阴极6的等离子体通过静电层与空心阴极6的壁隔开，静电层的电压为100V，为放电电压的一半。
上述技术方案的工作原理及有益效果为：在维持放电所需的收缩空间中建立了伴随的气体流速和磁感应。在从电源施加电压之后，在限制收缩间隙的壁与阳极1之间引起低电流放电。当电源单元被接通时，即使在没有电压的情况下，在狭缝槽中也会形成具有封闭电子漂移的收缩放电，该狭缝槽具有在致密阳极1和稀疏阴极6等离子体之间形成双静电层的结构。阴极6等离子体通过静电层与空心阴极6的壁隔开，静电层的电压约为100V，约为放电电压的一半。发射通道11的宽度2b，其中b是椭圆孔的半短轴的长度，要求发射通道11的宽度2b必须超过阴极6宽度的几倍(大于2倍)，发射通道11的宽度2b约为2mm宽才能使阴极6等离子体穿透到发射通道11中。
当将磁场引入第二磁性系统中时，在插入件10的壁上形成具有交叉的电场和磁场的区域，从而限制了发射通道11。磁感应强度大小实际上使磁场不影响离子轨迹。来自阴极6等离子体的离子渗透到发射通道11中，以及部分离子被来自阳极1等离子体的双重静电层加速。在插入件10的壁附近被电场加速，对其进行轰击并击落插入材料的原子以及电子。这些电子落入交叉的电场和磁场区域并沿轨迹移动，接近摆线。由于发射通道11横截面的椭圆形，电子漂移关闭。它们由于碰撞而从插入件10的壁移动。电离碰撞的结果是电子将溅射的原子和残留的气体原子电离。
总之，本发明可产生的效果总结如下：
其一，可以实现具有典型的磁控溅射系统及具有交叉电场和磁场的阴极6区域的放电，由于集中在一个区域内，通过强阴极6溅射获得气态工作物质，有效地离子化了溅射的原子，并选择了生成的离子进入电子束，从而提供了积极的效果。
其二，本发明属于用于获得含有难熔金属及其合金的金属离子的强带状束的装置，并且可以用于技术目的包括：离子注入，以及在真空和气体中沉积给定材料的薄膜等科学研究。
其三，在本发明所述的装置结构中的离子源基于独立的放电，以交叉方式收缩的收缩放电.
其四，在本发明所述的装置结构中的离子源在维持放电所需的收缩间隙中建立了伴随的气体流速和磁感应。在从电源对离子源施加电压之后，在限制收缩间隙的壁与阳极1之间引起低电流放电。当电源单元被接通时，即使在没有电压的情况下，在狭缝槽中也会形成具有封闭电子漂移。
其五，在本发明所述的装置结构中的离子源采用两个电源单元来控制离子束，辅助放电第一磁性系统由第一电源单元14供电，而第二磁性系统则连接到第二电源单元15的负极，以便将工作物质有效的喷射强电离电流的能力，由第二电源单元15施加的电压导致插入件10壁处的电压降增加，这通过增加电子的能量而增加了发射通道11中电子的电离能力。
其六，在本发明所述的装置结构中的离子源通过来自发射通道11中产生的等离子体的加速间隙的电场选择进入发射束中的离子。
其七，在本发明所述的装置结构中的离子源狭缝的形状为椭圆形，阴极6壁具有相同的孔，附加磁性系统的磁极，在其间插入离子形成材料的插入物，两极之间的距离以及椭圆狭缝的半短轴的长度都由特定的方程式所决定。
其八，由于工作物质的体积增加，本发明所提出的离子源提供了溅射靶材更长的寿命(长达100小时)，当获得带状离子束时，由于提高了工作物质的利用率，不仅离子源靶材寿命提高了一个量级，而且离子束中难溶金属的含量也大幅度提高。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，包括：离子源、第一磁性系统、第二磁性系统和电源；
所述离子源包括阳极、阴极和中间电极，所述中间电极包括由铁磁棒和磁轭形成的具有环形收缩空间的电极；所述阴极围成工作腔，设置于所述阳极的垂直位置上；所述电源的一端连接所述阳极，另一端连接所述阴极；
所述第一磁性系统包括：铁磁棒、磁轭、磁路和第一线圈；所述磁路、磁轭均设置有通孔，所述铁磁棒插入所述通孔中，所述铁磁棒的第一端连接所述磁轭，所述铁磁棒的第二端连接所述磁路，所述磁路和磁轭之间的所述铁磁棒的四周设置所述阳极，所述第一线圈位于所述磁轭了磁路形成的空间内；所述第一磁性系统在狭槽中产生径向磁场；所述阴极对应所述铁磁棒的位置设置有第一通孔；所述第一通孔的直径大于所述磁路、磁轭的通孔的直径；
所述第二磁性系统包括：第一铁磁性盘壁、第二铁磁性盘壁和第二线圈；所述第一铁磁性盘壁和所述第二铁磁性盘壁形成线圈空间，所述第二线圈设置于所述线圈空间中；所述第一铁磁性盘壁和所述第二铁磁性盘壁对应所述第一通孔的位置上均设置有开孔，由所述开孔形成发射通道；所述发射通道的侧壁上设置有由离子溅射材料制成的插入件。
2.根据权利要求1所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，还包括加速电极，所述加速电极设置于所述发射通道对应的位置，所述加速电极的通道的截面形状与所述发射通道的截面形状相同。
3.根据权利要求1所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，所述电源包括第一电源单元和第二电源单元；
所述电源的一端连接所述阳极，另一端连接所述阴极，包括：所述第一电源单元的正极连接所述阴极，所述第一电源单元的负极连接所述阳极；所述第二电源单元的正极连接所述阴极，所述第二电源单元的负极连接所述第二磁性系统。
4.根据权利要求1所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，还包括中间电极绝缘体，所述中间电极绝缘体设置于所述磁轭和第一铁磁性盘壁之间，使所述中间电极、阴极和第二磁性系统之间电隔离。
5.根据权利要求1所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，所述阴极包括玻璃材料，所述具有玻璃材料的阴极部分面向所述阳极。
6.根据权利要求1所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，所述发射通道的截面形状为椭圆形，所述第二磁性系统具有朝向所述发射通道中心凸出的拱形磁场。
7.根据权利要求6所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，所述第二磁性系统中两个磁极之间的距离满足以下公式：
其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，2a是两个磁极的厚度，b是椭圆的半短轴的长度，t是插入件的厚度；
或者，所述第二磁性系统中两个磁极之间的距离满足以下公式：
其中，h为第二磁性系统中两个磁极之间的距离，b是椭圆的半短轴的长度。
8.根据权利要求6所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，所述椭圆形截面的短轴长度2b大于两倍的阴极宽度。
9.根据权利要求7所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，所述椭圆形截面的短轴长度2b大于或等于2mm。
10.根据权利要求6所述的获得难熔金属的带状束金属离子的装置，其特征在于，该装置处于工作状态时，所述电源被接通后，在狭缝槽中形成具有封闭电子漂移的收缩放电，该狭缝槽具有在致密阳极和稀疏阴极等离子体之间形成双静电层的结构；阴极的等离子体通过静电层与空心阴极的壁隔开，静电层的电压为100V，为放电电压的一半。
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| SU1371434A1 (ru) * | 1986-12-29 | 1995-04-10 | Рубежанский филиал Луганского машиностроительного института | Источник ионов металлов |
| US6246059B1 (en) * | 1999-03-06 | 2001-06-12 | Advanced Ion Technology, Inc. | Ion-beam source with virtual anode |
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| US6246059B1 (en) * | 1999-03-06 | 2001-06-12 | Advanced Ion Technology, Inc. | Ion-beam source with virtual anode |
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