一种空心阴极宽束考夫曼离子源

技术领域

本发明涉及一种离子源，具体涉及一种空心阴极宽束考夫曼离子源。

背景技术

考夫曼（Kaufman）离子源是最早出现、最基本的离子源，经历了半个世纪的发展，考夫曼离子源已经演变出多种结构，目前己广泛应用于光学、微电子、材料研究及工业生产的各个领域中。考夫曼离子源主要由供电电源、放电室与离子引出系统组成。考夫曼离子源的产生机理为：灯丝发射的电子在飞向阳极的过程中受到磁场的洛仑兹力作用，在放电室中沿磁力线做回旋振荡运动，与气体分子发生碰撞，导致气体电离，形成等离子体，其中的离子在等离子体与屏极的电势差的作用下被发射进入离子光学系统，再由屏极与加速之间的静电场加速获得能量，形成离子束流。

下表为考夫曼离子源与其它几种离子源的性能对比：

与其它离子源相比，考夫曼离子源存在阴极灯丝，并且置于一个封闭的放电室内，灯丝热量经辐射传至阳极及外侧的磁铁，工作一段时间后磁铁即可达到高于居里点的温度，磁感应强度降低，限制等离子体的能力随之变差，放电变得不稳定，最终“熄火”。放电室中的正离子在阴极鞘层电势差的作用下会轰击阴极，溅射出金属粒子，对引出离子束产生污染。另外，灯丝及等离子体的热辐射、离子与电子在极板上复合、等离子体到达极板传递的能量等会使极板产生温升，使极板发生热变形，使离子束的发散度变大，甚至发生短路。因此，对考夫曼离子源的缺陷进行改进是十分必要的。

公告号为CN86201075U的专利提供了一种表面改性用高能宽束发散场考夫曼离子源，放电室外部有绝缘陶瓷和处于正高电位的后盖板，控制后极靴和阴极伸进放电室的长度得到发散场，并提高了离子源的引出电压。该离子源可以直接加速离子到达离子注入所需要的高能量，在材料表面处理中可以提高金属表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性，并对基体外形尺寸无明显影响。

公告号为CN204706536U的专利涉及一种金属阴极结构的考夫曼离子源，所述阴极呈空心桶结构，装置的阳极位于桶装结构的中心位置，经过改进结构的新型离子源，易断的灯丝阴极，替换为金属网状结构，提高了阴极的使用寿命。

公布号为CN103871809A的专利文献公开了一种用于离子注入机的宽束离子源装置，包括源磁场铁芯、源磁场线圈、弧室和引出电极，弧室的一端设有第一灯丝和第一阴极，弧室的另一端设有第二灯丝和第二阴极，第一灯丝和第二灯丝分别连接灯丝电源，第一灯丝和第一阴极之间连接第一偏置电源，第二灯丝和第二阴极之间连接第二偏置电源，第一阴极与弧室之间连接第一弧压电源，第二阴极与弧室之间连接第二弧压电源。由于弧室采用了双灯丝、双阴极的双间热式阴极结构，使气体介质与阴极发射出的热电子充分发生碰撞，能够产生较宽的离子束以及较强的束流强度，所以可以方便地扩大离子束宽度，直接获得覆盖目标注入硅片宽度的平行宽带束流。

公开号为CN108417472A的专利公开了一种多场增强空心阴极离子源，包括有阴极总成和阳极总成，所述的阴极总成包括有放电体、水冷盘和绝缘外壳，放电体安装于水冷盘的中心位置，绝缘外壳固定于水冷盘上且套设于放电体外，阴极总成上设置有连接绝缘外壳内腔的进气口，所述的放电体包括有金属连接座、钽空心管、外金属套管、硼化铼片和电子出射盖，所述的阳极总成包括有阳极水冷套管，该阳极水冷套管的内腔为空气电离区，气体离子出射口的外端设置有引出极栅网。该离子源通过空心阴极效应、热效应、磁场约束、硼化铼增强等多重效应，大大提高了离子源的离化率和离子浓度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种空心阴极宽束考夫曼离子源，可以在较高真空范围内（10

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种空心阴极宽束考夫曼离子源，包括放电室筒、阴极组件、阳极、充气嘴、离子引出系统和中和器，

所述放电室筒的外侧设置永磁钢棒，所述放电室筒和永磁钢棒均通过位于底部的后磁钢座和位于顶部的前磁钢座固定，所述阴极组件和所述阳极同轴设置在所述放电室筒的内部，所述离子引出系统设置在所述前磁钢座的上部，所述中和器设置在所述离子引出系统的上部，

所述阴极组件包括阴极、阴极座和阴极靴，所述阴极座的底部侧面连接所述后磁钢座，所述阴极为空心阴极钽管且设置在所述阴极座的中心，所述阴极靴镶嵌在所述阴极座上部的圆柱形筒内，所述阴极靴的上部为倒锥形空心结构，所述阴极靴的中心与所述阴极的内部连通，所述充气嘴与所述阴极和阴极靴的中心连通，

所述阳极设置在所述阴极组件的上部，所述离子引出系统的下表面中心设置散流器。

进一步的，所述阳极的下部为空心圆柱体结构，上部为锥台形空心结构，所述阳极的锥台形空心结构的上端面面积大于下端面面积，所述空心圆柱体结构的下端面与所述阴极靴的上部倒锥形空心结构相对应，所述锥台形空心结构的上端面与所述前磁钢座的下端面相对应。

进一步的，所述阳极通过支撑组件与所述阴极座连接，所述支撑组件包括阳极支柱和阳极固定陶瓷柱，所述阳极支柱通过所述阳极固定陶瓷柱与所述阴极座连接，所述阳极支柱包括阳极陶瓷支柱和阳极接线支柱，所述阳极接线支柱同轴设置在所述阳极陶瓷支柱的内部。

进一步的，所述阳极的下部水平向外延伸出固定片，所述阳极支柱与所述固定片通过陶瓷螺母固定连接。

进一步的，所述永磁钢棒的外侧设置外罩，所述外罩的上部通过前端瓷块与所述前磁钢座连接，所述外罩的下部通过后端瓷块与所述后磁钢座连接。

进一步的，所述外罩的上部连接前盖，所述前盖的下表面通过所述前端瓷块和屏栅瓷柱与所述前磁钢座连接，所述前盖的上表面连接中和器。

进一步的，所述离子引出系统包括屏极网栅和设置在所述屏极网栅上部的加速网栅，所述屏极网栅通过屏栅瓷柱与所述前磁钢座连接，所述加速网栅与所述前盖的下表面连接。

进一步的，所述散流器设置在所述屏极网栅的下表面中心处，所述散流器为圆柱体与圆锥体相连接组成的凸台结构，所述散流器设置与所述屏极网栅固定的连接孔，所述散流器的材质为高纯电子陶瓷或六硼化镧。

进一步的，所述中和器包括中和钨丝和中和瓷柱，所述中和瓷柱为一组，且与所述前盖的上表面连接，所述中和钨丝连接在所述中和瓷柱之间。

进一步的，所述外罩的侧部通过轴向角度调整器连接底座。

在实际生产中，考夫曼离子源存在着如下问题：结构简单装配容易的发散场离子源引出的束流均匀性差，而束流均匀性好的多极场离子源则结构复杂、不易清洗等问题；另外，离子源工作时灯丝的温度非常高，其产生的热量会使磁钢在较短时间内达到居里点，磁感应强度大幅度下降，使放电变得非常不稳定，连续工作时间难以保证，工作热稳定性差。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明考夫曼离子源，通过给阳极和空心阴极钽管之间施加放电电压，使得气体在空心阴极钽管内和阴极靴下部形成初次放电，引出电子束和离子束流，轰击安装于屏极网栅中处的散流器形成二次电子云，在此过程中形成多次放电，在放电室内形成等离子体，由双栅离子光学系统引出离子束流。

本发明阴极组件采用空心阴极钽管、钽阴极靴及电工纯铁阴极座的组合，属于免维护结构；本发明解决了现有技术中阴极灯丝对薄膜的污染和寿命短的问题，阴极使用寿命极长，其中的零部件在全寿命周期中无需更换和维护。本离子源整体结构简单，易于装配，方便拆卸，维护保养方便。本发明离子源可以在较宽的高真空范围内（10

附图说明

图1：本发明空心阴极宽束考夫曼离子源的结构示意图；

图2：本发明图1的俯视图；

图3：本发明散流器的结构示意图；

图4：本发明离子源的电源接线示意图；

图5：本发明离子源均匀性试验示意图；

其中，1-外罩，2-前盖，3-永磁钢棒，4-放电室筒，5-前磁钢座，6-后磁钢座，7-阴极，8-阴极座，9-阴极靴，10-充气嘴，11-阳极，12-阳极支柱，13-阳极固定陶瓷柱，14-前端瓷块，15-后端瓷块，16-阳极陶瓷支柱，17-阳极接线支柱，18-陶瓷螺母，19-屏极网栅，20-加速网栅，21-屏栅瓷柱，22-散流器，23-中和瓷柱，24-中和钨丝，25-轴向角度调整器，26-底座，27-连接孔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

参阅图1-图4，一种空心阴极7宽束考夫曼离子源，包括放电室筒4、阴极组件、阳极11、充气嘴10、离子引出系统和中和器，放电室筒4的外侧设置永磁钢棒3，放电室筒4和永磁钢棒3均通过位于底部的后磁钢座6和位于顶部的前磁钢座5固定，阴极组件和阳极11同轴设置在放电室筒4的内部，离子引出系统设置在前磁钢座5的上部，中和器设置在离子引出系统的上部，阴极组件包括阴极7、阴极座8和阴极靴9，阴极座8的底部侧面连接后磁钢座6，阴极7为空心阴极钽管且设置在阴极座8的中心，阴极靴9镶嵌在阴极座8上部的圆柱形筒内，阴极靴9的上部为倒锥形空心结构，阴极靴9的中心与阴极7的内部连通，充气嘴10与阴极7和阴极靴9的中心连通，阳极11设置在阴极组件的上部，离子引出系统的下表面中心设置散流器22。

上述阴极座8的材质为电工纯铁；阴极靴9的材质为钽。本发明阴极组件采用空心阴极钽管、阴极靴9及阴极座8的组合，属于免维护结构，较之传统阴极灯丝优势突显；解决了现有技术中阴极灯丝对薄膜的污染、寿命短等问题，阴极使用命极长，其中的零部件在全寿命周期中无需更换和维护。传统离子源工作时灯丝的温度非常高，其产生的热量会使磁钢在较短时间内达到居里点，磁感应强度大幅度下降，使放电变得非常不稳定，连续工作时间难以保证，工作热稳定性差，本发明通过永磁钢棒3、阴极组件以及阳极11的合理配置，有效解决了上述问题，使得放电更加稳定，可以长时间连续工作，零部件在全寿命周期中无需更换，工作热稳定性好，最终提高了离子源的输出均匀性。

本发明在离子引出系统的下表面中心设置散流器22，在空心阴极钽管内和阴极靴9下部形成的初次放电引出的电子束和离子束轰击该散流器22，产生二次放电，形成二次电子云。

前磁钢座5和后磁钢座6起到支撑和固定永磁钢棒3以及放电室筒4的作用，永磁钢棒3用于提供稳定的磁场，并通过前磁钢座5和后磁钢座6加以固定。

充气嘴10可以充入氧气、氩气或者二者的混合气体。本发明通过对离子源结构的改进，需用工作气体流量小，氩气流量只需3~8sccm（标准毫升/分钟）或氧气流量6~20sccm或氧氩混合气体8~25sccm，即可稳定工作。

在本发明的一个具体实施例中，阳极11的下部为空心圆柱体结构，上部为锥台形空心结构，阳极11的锥台形空心结构的上端面面积大于下端面面积，空心圆柱体结构的下端面与阴极靴9的上部倒锥形空心结构相对应，锥台形空心结构的上端面与前磁钢座5的下端面相对应。

在本发明的一个具体实施例中，阳极11通过支撑组件与阴极座8连接，支撑组件包括阳极支柱12和阳极固定陶瓷柱13，阳极支柱12通过阳极固定陶瓷柱13与阴极座8连接，阳极支柱12包括阳极陶瓷支柱16和阳极接线支柱17，阳极接线支柱17同轴设置在阳极陶瓷支柱16的内部。上述阳极陶瓷支柱16、阳极固定陶瓷柱13起到支撑稳定阳极11的作用，同时陶瓷材质耐温性能好。

上述阳极11和阴极组件组成的部件均用螺钉固定于后磁钢座6上，方便拆装，便于对阳极11进行维护保养。

在本发明的一个具体实施例中，阳极11的下部水平向外延伸出固定片，阳极支柱12与固定片通过陶瓷螺母18固定连接。

上述阳极11由阳极接线支柱17、阳极陶瓷支柱16、阳极固定陶瓷柱13、和陶瓷螺母18将阳极11固定在阴极座8上，并保持与阴极组件绝缘。

在本发明的一个具体实施例中，永磁钢棒3的外侧设置外罩1，外罩1的上部通过前端瓷块14与前磁钢座5连接，外罩1的下部通过后端瓷块15与后磁钢座6连接，外罩1起到对内部零部件的保护作用，同时通过前端瓷块14和后端瓷块15与内部零部件绝缘。

在本发明的一个具体实施例中，外罩1的上部连接前盖2，前盖2的下表面通过前端瓷块14和屏栅瓷柱21与前磁钢座5连接，前盖2的上表面连接中和器。上述前盖2通过前端瓷块14和屏栅瓷柱21保持与内部绝缘。

在本发明的一个具体实施例中，离子引出系统包括屏极网栅19（也称为屏极）和设置在屏极网栅19上部的加速网栅20（也称为加速极），屏极网栅19通过屏栅瓷柱21与前磁钢座5连接，加速网栅20与前盖2的下表面连接。本发明离子引出系统采用双栅离子引出系统，易于装配，方便拆卸，维护保养方便。

在本发明的一个具体实施例中，散流器22设置在屏极网栅19的下表面中心处，散流器22为圆柱体与圆锥体相连接组成的凸台结构，其中圆锥体部分的外锥角α优选为120~160度（参阅图3），散流器22设置与屏极网栅19固定的连接孔27，散流器22的材质为高纯电子陶瓷或六硼化镧。气体在空心阴极钽管内和阴极靴9下部形成初次放电，引出电子束和离子束流，轰击安装于屏极网栅19下表面中心处的散流器22形成二次放电效果，产生二次电子云，继而在放电室筒4内形成更多次的放电效果。散流器22的使用能够显著改变放电室筒4内部的放电状态，改变等离子体的形成原理，并且延长网栅的使用寿命。除本发明具体限定的结构外，散流器22采用圆柱状、圆锥状或平板状结构也能够形成二次放电效果，但是发明人的长期实践表明，散流器22采用圆柱体与圆锥体相连接组成的凸台结构，能够更为显著地改善离子源性能，对于形成均匀性好的离子源发挥了重要作用。同时，散流器22的材质采用高纯电子陶瓷或六硼化镧，起弧和稳定性更突出，对介质薄膜和金属薄膜均适用性好。

参阅图4，中和器包括中和钨丝24和中和瓷柱23，中和瓷柱23为一组，且与前盖2的上表面连接，中和钨丝24连接在中和瓷柱23之间。一组中和瓷柱23安装在前盖2上表面的一侧，连接中和钨丝24，用于中和电流。

在本发明的一个具体实施例中，外罩1的侧部通过轴向角度调整器25连接底座26。上述底座26呈U型，轴向角度调整器25可用于调节离子源的工作方位。

上述前磁钢座5的内锥角为35～55度，其中的内锥角为前磁钢座5的内侧面延伸相交构成的锥角。上述阴极靴9中上部倒锥形空心结构的内锥角优选为100~125度。上述阳极11的锥台形空心结构的内锥角为30~55度，其中的内锥角为锥台形空心结构的侧面延伸相交构成的锥角。上述各零部件圆锥角的参数设置适用于口径在60~120mm范围内的离子源，且上述参数的设置，对离子源的放电稳定性、引出离子均匀性、能量利用率、散热效果和减少离子溅射均有较为明显的影响，是发明人在实际使用过程过和优化设计中找到的优选值。

参阅图4，本发明离子源的电源接线方式说明，阳极与阴极之间连接300~600V的电流可调正向恒流源；阴极与地之间连接100~600V的电压可调正向恒压源；屏极网栅与阴极之间连接0~500V的电压可调正向恒压源，最大电压U屏max=0.8U阳；加速网栅接地，加速电压可以设置为300V~1000V直流连续可调电压。电源的电压电流等参数可以根据应用场合和生产工艺进行调整。

本发明对上述离子源进行均匀性试验。

具体过程：在光学真空镀膜机（ZZ-1100型号）中镀制一层薄膜材料，基片材料为K9的双面抛光光学玻璃，厚度1.5mm。见离子源均匀性试验示意图（参阅图5），在工件盘的A、B、C、D、E五个位置各放置一件基片，在下列试验条件下镀制一层Ti

试验条件：

1.本底真空度3.0e-3Pa；

2.镀膜压强控制仪设定真空度1.2e-3Pa（充高纯O

3.工件盘烘烤温度分布均匀误差±5℃；

4.工件盘转速20rpm；

5.离子源出口至工件盘中心距750mm；

6.Ti

使用离子源参数：

1.阳极电压360V；

2.放电电流1.2A；

3.阴极电压500V；

4.离子能量800ev；

5.Ar气流量4.8SCCM，O

表1烘烤温度60℃时折射率分布

表2烘烤温度200°C时折射率分布

由上表折射率分布变化情况可以看出在离子源轴向±30°范围内折射率增量差在10%以内，根据离子密度分布与折射率增量具有线性正向相关性，可以判断出离子密度分布在轴向±30°范围内均匀性在10%以内，离子源均匀性好。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。