CN1303246C - 一种金属离子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属离子源，能够提高高密度金属元素离子的金属离子源。本发明在装置的阴极上增加辅助阴极，辅助阴极突出在阳极区内，并与阳极构成一个放电室，在辅助阴极下方设置环形磁铁和磁铁，磁铁置在环形磁铁内，两磁铁连接在阴极上。辅助阴极采用需要的金属元素材料制成，当需要某种金属元素时，安装上用该材料制备的辅助阴极和磁铁，构成磁控溅射源，该辅助阴极即增大了金属元素的溅射产额，保护了原有阴极不被损坏，延长离子源的使用寿命，使用非常方便。当需要采用气体离子时，将辅助阴极下方设置环形磁铁和磁铁去掉即可。利用该源既可获取气体元素离子又可获取不同高密度金属元素离子，可以利用一个离子源满足多种元素离子的注入需要。

Description

一种金属离子源

技术领域

本发明涉及一种离子源，属于离子束材料表面改性技术；特别涉及能够提高高密度金属元素离子的金属离子源。

背景技术

离子注入技术被广泛应用于材料表面改性研究，以及微电子器件的制作中，因此离子注入技术是非常重要的一种应用技术。离子注入技术的核心部件是产生离子的离子源。当离子源产生的各种离子通过电场时获得高能量，然后将这些高能量离子注入到样品中，使样品表面形成新的结构，从而达到材料表面改性和新器件的形成等目的。

获取不同注入元素的离子源有很多种。最常用的等离子体离子源是将输入到离子源中的气体分子电离，在离子源的放电室内形成等离子体，然后在一定电压的作用下可引出带正电荷的离子，将引出的离子通过质量分析器，便可获得所需的元素离子。这种离子源也被称为气体离子源。在气体离子源中，获取的金属元素离子的数量取决于该金属元素在被电离气体内的含量，因为金属元素在气体中的含量较低，所以应用这种源获取足够数量的气体元素离子比较容易，而要获取足够数量的金属元素较困难，这是由于一般化合物气体中的金属元素所占比例都不高。因此，使用这种离子源产生的金属离子的数量不能满足注入改性的需求。当希望产生较大束流金属元素时，可以利用金属阴极，通过电弧放电或金属加热蒸发等方式来产生大量的金属元素。但这两种结构形式都不能做气体离子源使用。

现有的产品冷阴极离子源是一个气体离子源，其依靠潘宁放电形式获得等离子体，其结构为两个相对放置的阴极和一个阳极组成，阳极为一个圆筒状，阴极为两个片状电极结构，位于阳极筒两端上下相对放置，其中的一个阴极中间开孔，用于引出离子束流，阳极外加有永久磁铁轴向放置，电子在阴极与阳极之间形成的电场中得到加速，在两个阴极间来回振荡，并在磁场的作用下，形成螺旋运动，增加电子与分子的碰撞几率，提高电离度。当气体输入阳极和阴极构成的放电室后，产生放电形成等离子体，因此只能产生气体离子，如果需要金属元素原子，则选择含有的金属原子的化合物气体，气体电离后，将引出的离子通过滤质器处理后，可以得到所需的离子，但含量较低，效率低，引出离子流小，不能满足材料改性的要求。因此需要对其结构和产生离子的机理进行改进，引进新的设计方法。

一般的冷阴极气体放电离子源在工作过程中，依靠阴极材料发射的电子对气体分子进行电离，而当电离后的离子运动到阴极表面时，会产生溅射作用，这种溅射作用往往会损坏阴极表面，破坏放电空间的条件，使离子源的效率和工作特性发生变化，影响离子源的使用寿命，因此为了延长离子源的使用寿命，设计一定的磁场约束离子碰撞阴极，尽量减少阴极材料的溅射。

如果利用这个溅射原理实现产生金属离子的目的，可以制成溅射式离子源。以往的溅射离子源都是针对某种离子而设计的，溅射产额不大。现在用户提出的要求是一种源可以产生气体、金属等多种元素离子，需要较大的产额来满足离子注入改性的需要，传统的设计方法就不能满足要求，因此需要设计新型结构的离子源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以产生金属离子，又可以产生气体离子，使用起来方便、简单，能大大提高使用效率的金属离子源。

一种金属离子源，包括底座，在底座上固定有进气嘴，进气嘴上连接有阴极，阴极固定在底座上，阴极上设置有可与进气嘴相通的通气孔，阴极上端连接有阳极，阴极与阳极绝缘隔离，在阳极外设置有磁铁，磁铁上端通过安装板固定，安装板固定在安装筒上，安装筒套装在磁铁外，磁铁下端和安装筒固定于底座上，在安装筒上安装有引出栅，引出栅位于阳极的上面，并绝缘隔离，引出栅中间设置有引出孔，在引出栅上方套装有中间电极和加速电极，并用绝缘层绝缘，中间电极与加速电极固定在安装筒上，其在阴极上增加辅助阴极，辅助阴极突出在阳极区内，并与阳极构成一个放电室，在辅助阴极下方设置环形磁铁和磁铁，磁铁置在环形磁铁内，两磁铁连接在阴极上。

磁铁为中间圆柱状磁铁，环形磁铁为外置圆柱状磁铁，环形磁铁位于磁铁的外围，磁铁镶嵌在阴极的中间。

所述辅助阴极是采用需要离子化的金属柱体。

辅助阴极与两磁铁构成了磁控溅射源。

所述阳极为筒状结构或方形结构。

本发明提出应用溅射的基本原理，增加辅助阴极的方法。装置中，将辅助阴极和原有的阴极相连，且突出在阳极区内，辅助阴极采用需要的金属元素材料制成，当需要某种金属元素时，安装上用该材料制备的辅助阴极和磁铁，构成磁控溅射源，该辅助阴极即增大了金属元素的溅射产额，又保护了原有阴极不被损坏，延长了离子源的使用寿命，使用也非常方便。当需要采用气体离子时，将辅助阴极下方设置环形磁铁和磁铁去掉即可。利用该源既可获取气体元素离子又可获取不同高密度金属元素离子，可以利用一个离子源满足多种元素离子的注入需要。

附图说明

附图是本发明的结构示意图；

具体实施方式

附图是本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步说明：

参照附图所示，一种金属离子源，包括底座9，在底座9上固定有进气嘴5，进气嘴5上连接有阴极3，阴极3固定在底座9上，阴极3上设置有可与进气嘴5相通的通气孔，阴极3上端连接有阳极8，阴极3与阳极8绝缘隔离，在阳极8外设置有磁铁10，磁铁10上端通过安装板11固定，安装板11固定在安装筒12上，安装筒12套装在磁铁10外，磁铁10下端和安装筒12固定于底座9上，在安装筒12上安装有引出栅13，引出栅13位于阳极8的上面，并绝缘隔离，引出栅13中间设置有引出孔，在引出栅13上方套装有中间电极16和加速电极17，并用绝缘层绝缘，中间电极16与加速电极17固定在安装筒12上，在阴极3上增加辅助阴极6，辅助阴极6突出在阳极区内，并与阳极8构成一个放电室，在辅助阴极6下方设置环形磁铁2和磁铁4，磁铁4置在环形磁铁2内，环形磁铁2和磁铁4均连接在阴极3上。磁铁4为中间圆柱状磁铁，环形磁铁2为外置圆柱状磁铁。辅助阴极6采用需要离子化的金属柱体。辅助阴极6与环形磁铁2和磁铁4构成了磁控溅射源。阳极8为筒状结构或方形结构。14、15为固定法兰。

阳极电位通过接线柱1接入，阴极电位通过接线柱7接入。

由于本发明的装置中，一部分是普通离子源的阴极，另一部分是需要离子化的金属的柱体，称为辅助阴极，将辅助阴极6突出在阳极区，并在其底部加有供磁控溅射的磁铁，由于加有磁控溅射结构，阴极具有足够大的表面积产生溅射离子，当不需要金属离子时，将辅助阴极6下的磁铁2和磁铁4去掉，普通阴极的作用是在电场作用下产生自由电子，直至达到自持放电。当需要金属离子时，放入磁铁，当源达到自持放电状态后，继续增加放电电流，就会产生阴极磁控溅射。要溅射的金属柱体伸入阳极区，成为阴极的一个鞘层，正离子大部分轰击在鞘层上，通过增加正离子的能量，便可以将难熔金属溅射出来。使用时根据需要溅射的离子元素不同，只更换不同材料的辅助溅射阴极即可，不需要对离子源进行大量的部件更换。所以本发明可使一种离子源起到多种离子源的作用，且在产生难溶金属元素的同时还保证了离子源的使用寿命，使用非常方便。

当需要气体元素时，首先抽系统真空到10^-3P，然后，向放电室内充入所需气体，到10^-1P，这时，在阳极8与阴极3之间加700伏电压，使得气体在放电室内产生放电，形成等离子体，这时，在引出极加3000-30000伏引出电压，使离子从放电室内等离子体中通过引出栅13孔引出。

当需要金属元素时，将辅助阴极6放入，抽系统真空到10^-3P，然后，通过进气嘴4向放电室内充入氩气，至10^-1P，这时在阳极8与阴极6之间加800-1000伏电压，使放电室内气体放电，形成等离子体，由于阳极8与阴极6之间加有近一千伏电压，等离子体中大量的离子高速打在阴极6表面，与阳极6表面碰撞，当被碰撞的表面原子具有能量大于逸出能时，产生溅射现象，被溅射出的金属原子被电离补充到等离子体中，这时，在引出栅加3000-30000伏电压，等离子体中的金属元素离子束流可以被引出。通过中间电极16和加速电极17聚焦成束。

引出栅13中间有一个引出口径为3mm的引出孔，用来引出离子束，与阴极3同电位，可以产生铁、铜、钼、锆、氮、氩等十余种元素离子，产生的锆离子，通过分析器后测量可达20微安，钼离子可达30微安，氮离子达500微安。阳极筒6外安装条形永久磁铁10，用于延长电子路径，提高放电几率；在阴极3表面上安装一个用于产生溅射离子的金属材料制成的辅助阴极6，辅助阴极6固定在阴极表面，并与阴极同电位，辅助阴极突出在阳极筒内，在辅助阴极6下方设置环形磁铁2和磁铁4，为了提高溅射产额。该辅助阴极即增大了溅射面积、增加金属元素产额，又保护了原有阴极不被损坏，延长了离子源的使用寿命，使用也非常方便。

Claims (5)

1、一种金属离子源，包括底座(9)，在底座(9)上固定有进气嘴(5)，进气嘴(5)上连接有阴极(3)，阴极(3)固定在底座(9)上，阴极(3)上设置有可与进气嘴(5)相通的通气孔，阴极(3)上端连接有阳极(8)，阴极(3)与阳极(8)绝缘隔离，在阳极(8)外设置有磁铁(10)，磁铁(10)上端通过安装板(11)固定，安装板(11)固定在安装筒(12)上，安装筒(12)套装在磁铁(10)外，磁铁(10)下端和安装筒(12)固定于底座(9)上，在安装筒(12)上安装有引出栅(13)，引出栅(13)位于阳极(8)的上面，并绝缘隔离，引出栅(13)中间设置有引出孔，在引出栅(13)上方套装有中间电极(16)和加速电极(17)，并用绝缘层绝缘，中间电极(16)与加速电极(17)固定在安装筒(12)上，其特征在于，在阴极(3)上增加辅助阴极(6)，辅助阴极(6)突出在阳极区内，并与阳极(8)构成一个放电室，在辅助阴极(6)下方设置环形磁铁(2)和磁铁(4)，磁铁(4)置在环形磁铁(2)内，环形磁铁(2)和磁铁(4)连接在阴极(3)上。

2、根据权利要求1所述的一种金属离子源，其特征在于，磁铁(4)为中间圆柱状磁铁，环形磁铁(2)为外置圆柱状磁铁，环形磁铁(2)位于磁铁(4)的外围，磁铁(4)镶嵌在阴极(3)的中间。

3、根据权利要求1所述的一种金属离子源，其特征在于，辅助阴极(6)采用需要离子化的金属柱体。

4、根据权利要求1所述的一种金属离子源，其特征在于，辅助阴极(6)与环形磁铁(2)和磁铁(4)构成了磁控溅射源。

5、根据权利要求1所述的一种金属离子源，其特征在于，阳极(8)为筒状结构或方形结构。

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