CN114645277A - 一种镜像电极束流控制的离子发生装置 - Google Patents

一种镜像电极束流控制的离子发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镜像电极束流控制的离子发生装置，包括：阳极，所述阳极上设有进气孔；阳极的两端设有对称的刻蚀阴极和测量阴极，所述刻蚀阴极上设有第一电离腔及与其连通的第一离子通道；所述测量阴极上设有第二电离腔及与其连通的第二离子通道；由于刻蚀阴极和测量阴极是对称的，当从阳极的进气孔通入气体后，气体电离形成的离子会在电势作用下飞向左右两侧的阴极，由于从两阴极端飞出的离子束电流是一样的，刻蚀阴极端飞出的离子束电流用于抛光或者切割，测量阴极端的离子束电流进入法拉第杯中，通过法拉第杯间接测量用于抛光或切割的有效电流，进而实现在抛光或切割的过程对抛光电流进行实时检测，便于控制抛光或切割的质量和效率。

Description

一种镜像电极束流控制的离子发生装置
技术领域
本发明涉及离子抛光-切割设备的技术领域，具体涉及一种镜像电极束流控制的离子发生装置。
背景技术
离子抛光-切割技术是较为先进的表面处理技术，经离子抛光-切割后的样品表面无机械损伤、成分结构真实且平整度可以达到纳米级，离子抛光系统是通过高电压阳极将气体原子电离，由接地或低压阴极将离子加速引出，高速运动的离子将样品表面原子溅射出去以获得无应力损伤、纳米级平整度的样品表面。
在离子抛光-切割过程中，离子数量(也即抛光电流)决定了抛光刻蚀的效率，也会影响抛光质量，是离子抛光-切割系统中最重要的参数之一；目前抛光电流的测量方式主要有以下三种：一是通过测量阴极接地后的反馈电流，该测量值包含了气体电离后产生的所有电流，包括了被阴极引出直接刻蚀样品的有效电流，也包括了直接通过阴极接地的无效电流，无效电流通常都大于有效电流，因此测量值与有效电流值差别很大；二是在样品附近远离电极的一侧设置法拉第杯，法拉第杯检测被阴极引出的电子束流，该方式由于引出的束流被样品等阻挡损耗，通常小于有效电流值；三是在样品和引出阴极之间设置用于检测电子束流的法拉第杯，该方式检测的是真实有效的电流值，但该方式测量时需要将离子束流偏转引入法拉第杯内，有效电流检测和样品刻蚀抛光不能同时进行；综上可知现有离子抛光-切割系统不能真实检测刻蚀电流或者不能在刻蚀的同时对刻蚀电流进行实时检测和控制，使得样品抛光的质量难以得到保证；因此，现亟需对现有的离子抛光系统进行必要的创新，以满足市场需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实时检测刻蚀束流的离子发生装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种镜像电极束流控制的离子发生装置，包括：
阳极，所述阳极上设有进气孔；
刻蚀阴极，所述刻蚀阴极绝缘连接在所述阳极的一端，且所述刻蚀阴极与所述阳极之间设有密封的第一电离腔，所述进气孔与所述第一电离腔连通，所述刻蚀阴极上还设有与所述第一电离腔连通的第一离子通道，所述第一离子通道用于引出第一电离腔内电离形成的离子；
测量阴极，所述测量阴极绝缘连接在所述阳极的另一端，所述测量阴极与所述阳极之间设有密封的第二电离腔，所述第二电离腔与所述第一电离腔关于所述阳极对称，所述进气孔与所述第二电离腔连通，待电离的气体进入进气孔后等分为两份且分别进入第一电离腔和第二电离腔，所述测量阴极上还设有与所述第二电离腔连通的第二离子通道，所述第二离子通道与所述第一离子通道关于所述阳极对称，所述第二离子通道用于引出第二电离腔内电离形成的离子；
测量装置，所述测量装置连接在所述测量阴极的端部，且所述第二离子通道引出的离子均进入所述测量装置内，所述测量装置用于测量第二离子通道引出的离子数量。
作为本发明的进一步改进，所述阳极接正电压，所述刻蚀阴极和测量阴极均接地或均接低于阳极电压的电压，所述阳极、刻蚀阴极和测量阳极均为圆筒状的回转体结构且三者同轴心设置。
作为本发明的进一步改进，所述第一离子通道的入口端设有喇叭状的第一导入口，所述第二离子通道的入口端设有喇叭状的第二导入口。
作为本发明的进一步改进，所述刻蚀阴极通过第一绝缘环同轴连接在所述阳极的对应端部，且所述刻蚀阴极、第一绝缘环与所述阳极之间密封形成所述第一电离腔。
作为本发明的进一步改进，所述测量阴极通过第二绝缘环同轴连接在所述阳极的对应端部，且所述测量阴极、第二绝缘环与所述阳极之间密封形成所述第二电离腔。
作为本发明的进一步改进，所述刻蚀阴极和测量阴极均密封安装在基座的内腔中，且刻蚀阴极、第一绝缘环、阳极、第二绝缘环、测量阴极与基座的内壁之间形成密封的环状配气室，所述进气孔与所述配气室连通，所述基座上设有与所述配气室连通的气源接口。
作为本发明的进一步改进，所述测量装置为法拉第杯，所述法拉第杯的入口与所述第二离子通道接通。
作为本发明的进一步改进，所述阳极包括圆环状的基体和同轴设置在所述基体中心处的圆筒状内环体，所述第一绝缘环和第二绝缘环对称连接在所述基体的两侧，所述内环体连通在所述第一电离腔和第二电离腔之间，所述内环体的内侧面为两个对称的圆锥面，且该圆锥面的自内环体的中部向端部逐渐扩大，两个圆锥面的对称中心面与第二电离腔和所述第一电离腔的对称中心面重合。
作为本发明的进一步改进，所述进气孔包括沿基体圆周方向均布的多组，每组进气孔均包括至少一个主进气孔，所述主进气孔为圆形且沿基体的径向贯穿至内环体的内部，所述主进气孔的轴向中心线位于第二电离腔和所述第一电离腔的对称中心面上。
作为本发明的进一步改进，所述进气孔包括沿基体圆周方向均布的多组，每组进气孔均包括相互独立的第一子进气孔和第二子进气孔，所述第一子进气孔连通在配气室与第一电离腔之间，所述第二子进气孔连通在配气室与第二电离腔之间，所述基体与内环体之间的连接部上设有两个对称的圆环状阻挡部，两个阻挡部分别位于第一子进气孔内端口的正前方和第二子进气孔内端口的正前方。
本发明的有益效果：
本发明是一种镜像电极束流控制的离子发生装置，本发明中由于刻蚀阴极和测量阴极是对称设置的，当从阳极的进气孔通入气体后，气体电离形成的离子会在电势的作用下飞向左右两侧的阴极，由于结构对称因此从两阴极端飞出的离子束电流是一样的，刻蚀阴极端飞出的离子束电流用于对样品进行抛光或者切割，测量阴极端的离子束电流进入法拉第杯中，通过法拉第杯测量出测量阴极端的有效电流，进而能够间接地反应刻蚀阴极端用于抛光或切割的有效电流，从而实现在抛光或切割的过程对抛光电流进行实时检测，便于控制抛光或切割的质量和效率。
附图说明
图1为本发明一种镜像电极束流控制的离子发生装置(阳极上的进气孔为共用的主进气孔)去除基座后的立体结构示意图；
图2为本发明一种镜像电极束流控制的离子发生装置(阳极上的进气孔为共用的主进气孔)的主视剖面图；
图3为本发明一种镜像电极束流控制的离子发生装置(阳极上的进气孔为独立的第一子进气孔和第二子进气孔)去除基座后的立体结构示意图；
图4为本发明一种镜像电极束流控制的离子发生装置(阳极上的进气孔为独立的第一子进气孔和第二子进气孔)的主视剖面图；
图中标号说明：
11、基座；12、配气室；13、气源接口；21、阳极；22、基体；23、内环体；31、主进气孔；41、第一子进气孔；42、第二子进气孔；43、阻挡部；51、刻蚀阴极；52、第一电离腔；53、第一离子通道；54、第一导入口；55、第一绝缘环；61、测量阴极；62、第二电离腔；63、第二离子通道；64、第二导入口；65、第二绝缘环；71、测量装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-图4所示，本发明一种镜像电极束流控制的离子发生装置的一实施例；
一种镜像电极束流控制的离子发生装置，包括：
阳极21，所述阳极21上设有进气孔；
刻蚀阴极51，所述刻蚀阴极51绝缘连接在所述阳极21的一端，且所述刻蚀阴极51与所述阳极21之间设有密封的第一电离腔52，所述进气孔与所述第一电离腔52连通，所述刻蚀阴极51上还设有与所述第一电离腔52连通的第一离子通道53，所述第一离子通道53用于引出第一电离腔52内电离形成的离子；
测量阴极61，所述测量阴极61绝缘连接在所述阳极21的另一端，所述测量阴极61与所述阳极21之间设有密封的第二电离腔62，所述第二电离腔62与所述第一电离腔52关于所述阳极21对称，即两者是镜像关系，所述进气孔与所述第二电离腔62连通，待电离的气体进入进气孔后等分为两份且分别进入第一电离腔52和第二电离腔62，所述测量阴极61上还设有与所述第二电离腔62连通的第二离子通道63，所述第二离子通道63与所述第一离子通道53关于所述阳极21对称，即两者是镜像关系，所述第二离子通道63用于引出第二电离腔62内电离形成的离子，通过对称结构的设置，尽可能保证飞向两阴极端的离子数相同，提高检测结果的准确性和可靠性；
测量装置71，所述测量装置71连接在所述测量阴极61的端部，且所述第二离子通道63引出的离子均进入所述测量装置71内，所述测量装置71用于测量第二离子通道63引出的离子数量。
本发明中由于刻蚀阴极51和测量阴极61是对称设置的，当从阳极21的进气孔通入气体后，气体电离形成的离子会在电势的作用下飞向左右两侧的阴极，由于结构对称因此从两阴极端飞出的离子束电流是一样的，刻蚀阴极51端飞出的离子束电流用于对样品进行抛光或者切割，测量阴极61端的离子束电流进入法拉第杯中，通过法拉第杯测量出测量阴极61端的有效电流，进而能够间接地反应刻蚀阴极51端用于抛光或切割的有效电流，从而实现在抛光或切割的过程对抛光电流进行实时检测，便于控制抛光或切割的质量和效率。
在本发明的一具体实施例中，所述阳极21接正电压，所述刻蚀阴极51和测量阴极61均接地或均接低于阳极21电压的电压，进而形成电势差使得离子加速飞出系统，所述阳极21、刻蚀阴极51和测量阳极21均为圆筒状的回转体结构且三者同轴心设置。
在本发明的一具体实施例中，所述第一离子通道53的入口端设有喇叭状的第一导入口54，所述第二离子通道63的入口端设有喇叭状的第二导入口64，为离子束提供通道聚敛以引出离子束。
在本发明的一具体实施例中，所述刻蚀阴极51通过第一绝缘环55同轴连接在所述阳极21的对应端部，且所述刻蚀阴极51、第一绝缘环55与所述阳极21之间密封形成所述第一电离腔52；所述测量阴极61通过第二绝缘环65同轴连接在所述阳极21的对应端部，且所述测量阴极61、第二绝缘环65与所述阳极21之间密封形成所述第二电离腔62。
在本发明的一具体实施例中，所述刻蚀阴极51和测量阴极61均密封安装在基座11的内腔中，且刻蚀阴极51、第一绝缘环55、阳极21、第二绝缘环65、测量阴极61与基座11的内壁之间形成密封的环状配气室12，所述进气孔与所述配气室12连通，所述基座11上设有与所述配气室12连通的气源接口13，气体通过配气室12能够均匀地进入各个进气孔内，有利于降低检测误差。
在本发明的一具体实施例中，所述测量装置71为法拉第杯，所述法拉第杯的入口与所述第二离子通道63接通，法拉第杯是一种金属制设计成杯状，用来测量带电粒子入射强度的一种真空侦测器，测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量。因此通过法拉第杯测量出测量阴极61端的有效电流，进而能够间接地反应刻蚀阴极51端用于抛光或切割的有效电流，通过法拉第杯检测的有效电流与预设电流进行比较，依据比较结果通过总控中心调节进气孔中气体供给流量，从而实现在抛光或切割的过程对抛光电流进行实时检测，便于控制抛光或切割的质量和效率。
在本发明的一具体实施例中，所述阳极21包括圆环状的基体22和同轴设置在所述基体22中心处的圆筒状内环体23，且内环体23的两端分别伸入对应阴极的空腔内，所述第一绝缘环55和第二绝缘环65对称连接在所述基体22的两侧，所述内环体23连通在所述第一电离腔52和第二电离腔62之间，所述内环体23的内侧面为两个对称的圆锥面，且该圆锥面的自内环体23的中部向端部逐渐扩大，两个圆锥面的对称中心面与第二电离腔62和所述第一电离腔52的对称中心面重合。
在本发明的一具体实施例中，参照图1-图2所示，所述进气孔包括沿基体22圆周方向均布的多组，每组进气孔均包括至少一个主进气孔31，所述主进气孔31为圆形且沿基体22的径向贯穿至内环体23的内部，所述主进气孔31的轴向中心线位于第二电离腔62和所述第一电离腔52的对称中心面上。
在本发明的一具体实施例中，参照图3-图4所示，所述进气孔包括沿基体22圆周方向均布的多组，每组进气孔均包括相互独立的第一子进气孔41和第二子进气孔42，尽可能地保证进入两个电离腔的气体一样，降低检测误差，所述第一子进气孔41连通在配气室12与第一电离腔52之间，所述第二子进气孔42连通在配气室12与第二电离腔62之间，所述基体22与内环体23之间的连接部上设有两个对称的圆环状阻挡部43，两个阻挡部43分别位于第一子进气孔41内端口的正前方和第二子进气孔42内端口的正前方；以刻蚀阴极51端为例，当气体进入第一子进气孔41内，通过阻挡部43去改变气体的流动方向和路径，然后气体依次从刻蚀阴极51与阳极21之间的间隙、刻蚀阴极51与内环体23之间的间隙进入刻蚀阴极51的内部空腔中，使得气体在圆周的方向上更加均匀地进入电离腔内进行电离，以便于形成稳定、连续的离子束电离，有利于提高抛光或者切割质量。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，包括：
阳极，所述阳极上设有进气孔；
刻蚀阴极，所述刻蚀阴极绝缘连接在所述阳极的一端，且所述刻蚀阴极与所述阳极之间设有密封的第一电离腔，所述进气孔与所述第一电离腔连通，所述刻蚀阴极上还设有与所述第一电离腔连通的第一离子通道，所述第一离子通道用于引出第一电离腔内电离形成的离子；
测量阴极，所述测量阴极绝缘连接在所述阳极的另一端，所述测量阴极与所述阳极之间设有密封的第二电离腔，所述第二电离腔与所述第一电离腔关于所述阳极对称，所述进气孔与所述第二电离腔连通，待电离的气体进入进气孔后等分为两份且分别进入第一电离腔和第二电离腔，所述测量阴极上还设有与所述第二电离腔连通的第二离子通道，所述第二离子通道与所述第一离子通道关于所述阳极对称，所述第二离子通道用于引出第二电离腔内电离形成的离子；
测量装置，所述测量装置连接在所述测量阴极的端部，且所述第二离子通道引出的离子均进入所述测量装置内，所述测量装置用于测量第二离子通道引出的离子数量。
2.如权利要求1所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述阳极接正电压，所述刻蚀阴极和测量阴极均接地或均接低于阳极电压的电压，所述阳极、刻蚀阴极和测量阴极均为圆筒状的回转体结构且三者同轴心设置。
3.如权利要求2所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述第一离子通道的入口端设有喇叭状的第一导入口，所述第二离子通道的入口端设有喇叭状的第二导入口。
4.如权利要求2所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述刻蚀阴极通过第一绝缘环同轴连接在所述阳极的对应端部，且所述刻蚀阴极、第一绝缘环与所述阳极之间密封形成所述第一电离腔。
5.如权利要求4所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述测量阴极通过第二绝缘环同轴连接在所述阳极的对应端部，且所述测量阴极、第二绝缘环与所述阳极之间密封形成所述第二电离腔。
6.如权利要求5所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述刻蚀阴极和测量阴极均密封安装在基座的内腔中，且刻蚀阴极、第一绝缘环、阳极、第二绝缘环、测量阴极与基座的内壁之间形成密封的环状配气室，所述进气孔与所述配气室连通，所述基座上设有与所述配气室连通的气源接口。
7.如权利要求6所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述测量装置为法拉第杯，所述法拉第杯的入口与所述第二离子通道接通。
8.如权利要求6所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述阳极包括圆环状的基体和同轴设置在所述基体中心处的圆筒状内环体，所述第一绝缘环和第二绝缘环对称连接在所述基体的两侧，所述内环体连通在所述第一电离腔和第二电离腔之间，所述内环体的内侧面为两个对称的圆锥面，且该圆锥面的自内环体的中部向端部逐渐扩大，两个圆锥面的对称中心面与第二电离腔和所述第一电离腔的对称中心面重合。
9.如权利要求8所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述进气孔包括沿基体圆周方向均布的多组，每组进气孔均包括至少一个主进气孔，所述主进气孔为圆形且沿基体的径向贯穿至内环体的内部，所述主进气孔的轴向中心线位于第二电离腔和所述第一电离腔的对称中心面上。
10.如权利要求8所述的一种镜像电极束流控制的离子发生装置，其特征在于，所述进气孔包括沿基体圆周方向均布的多组，每组进气孔均包括相互独立的第一子进气孔和第二子进气孔，所述第一子进气孔连通在配气室与第一电离腔之间，所述第二子进气孔连通在配气室与第二电离腔之间，所述基体与内环体之间的连接部上设有两个对称的圆环状阻挡部，两个阻挡部分别位于第一子进气孔内端口的正前方和第二子进气孔内端口的正前方。
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