離子束流密度和能量的同步測量裝置的製作方法

2023-09-16 10:40:00 1

專利名稱：離子束流密度和能量的同步測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及離子輔助沉積鍍膜技術，特別是一種用於離子源的離子束流 密度和能量的同步測量裝置，也可用於離子注入、改性以及濺射中離子源所 發射離子能量和束流密度的測量。
背景技術：
離子束技術己被證實可有效改善薄膜質量並廣泛應用於薄膜沉積技術 中，其關鍵設備離子源的性能也成為影響沉積質量的重要因素。離子源發射出一定離子能量和束流密度的離子束，使其在真空室中運行 一定距離後作用到薄膜分子或原子上，發生動量和能量交換作用，從而改變 了生長中的薄膜性質，這就是離子輔助沉積的過程。離子輔助沉積的優點是可以通過控制離子的參數來控制薄膜的屬性，因 此要考察離子束輔助效果，必須考察離子束的參數，包括離子的束流密度、 能量、離子束髮散角、離子種類等，其中離子的能量和束流密度是最重要的 又最難確定的參數，因此離子束輔助沉積需要一種探測離子束流密度和能量 的裝置。離子束流密度和能量的同歩測量存在以下難點陽離子和電子的分離。離子源所發射的離子束一般為陽離子和電子共同 存在的等離子體，它們之間互相干擾影響了測量的準確性，因此需要在探測 時進行分離。束流密度和能量測量的同步性。對同一種離子進行空間分布和能量分布 的測量是很不現實的，因此兩個參數需要針對兩種粒子進行測量。 發明內容本發明要解決的技術問題在於克服上述難點，提供一種離子源的離子束 流密度和能量的同步測量裝置，該裝置應具有結構簡單和操作方便的特點。 本發明的原理是通過磁場偏轉進行陽離子和電子的分離電子通過電子接收器進行採集， 其數量反映了束流密度，即通過的電流與該裝置對應捕獲面積的比值；而陽 離子通過陽離子接收器進行採集，通過對陽離子運行軌跡的分析，獲得離子
能量的分布情況。本發明的技術解決方案如下一種用於離子源的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特徵在於包 括採用磁屏蔽材料製成一圓柱形採集筒，在圓柱形採集筒內設置一筒形結 構的離子過濾器，其截面為一半圓形及一等腰直角三角形的一直角邊和 斜邊圍合而成，在該採集筒的側壁上及所述的離子過濾器的半圓形和三角 形的斜邊連接處採用磁屏蔽材料設一引流孔，在離子過濾器的半圓形位置 設置碗形電子接收器，在離子過濾器的等腰直角三角形的直角邊和斜邊位 置處設置一片狀陽離子接收器，該離子過濾器接地，但與所述的陽離子接收 器和電子接收器絕緣，在該採集筒內兩個端面分別設置電磁線圈，該兩電磁 線圈與該採集筒外的一可調恆壓直流電源相連，以在該採集筒中離子過濾器 內建立恆定的可調的勻強磁場，所說的陽離子接收器經第一電阻和第一毫安 表接地，所說的電子接收器經第二電阻和第二毫安表接地。所述的陽離子接收器的金屬片的尺寸與所述的引流孔的尺寸相當，分別 位於離子過濾器的斜邊的兩側對稱放置，並互相垂直。所述的兩個電磁線圈的中心同軸，二者之間的距離與線圈直徑相等。本發明的優點本發明能夠同時對離子能量和束流密度進行測量。可以同時獲得束流密 度和離子能量的分布規律。本裝置不但可以用於離子輔助沉積離子束流密度 和能量的測量，還可用於離子注入、離子改性和離子濺射中束流密度和能量 的測量。本發明裝置使用簡單，操作方便，實用性強。


圖1是本發明離子源的離子能量和束流密度的同步測量裝置的結構剖視 示意2是使用本發明測量Ar離子源的Ar離子相對束流與離子能量的關係 曲線。離子源陽極電壓為120V情況下Ar離子相對束流與離子能量的關係曲 線，代表了離子能量的分布情況，中心線處橫坐標代表離子束的平均能量。圖3是使用本發明測量離子源陽極電壓為120V情況下束流密度的分布情況圖4是使用本發明測量離子平均能量隨陽極電壓的變化曲線。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明 的保護範圍。請參閱圖1，圖1是本發明離子源的離子能量和束流密度的同步測量裝置 的結構剖視示意圖，由圖可見，本發明離子束流密度和能量的同步測量裝置， 其特徵在於包括採用磁屏蔽材料製成一圓柱形採集筒2，在圓柱形採集筒2內設置一筒形結構的離子過濾器4，其截面為一半圓形及一等腰直角三角 形的一直角邊和斜邊圍合而成，在該採集筒2的側壁上及所述的離子過濾 器4的半圓形和三角形的斜邊連接處採用磁屏蔽材料設一引流孔1，在離 子過濾器4的半圓形位置設置碗形電子接收器7，在離子過濾器4的等腰 直角三角形的直角邊和斜邊位置處設置一片狀陽離子接收器6，該離子過 濾器4接地，但與所述的陽離子接收器和電子接收器絕緣，在該採集筒2內 兩個端面分別設置電磁線圈5，該兩電磁線圈5與該採集筒2外的一可調恆壓 直流電源相連，以在該採集筒2中離子過濾器4內建立恆定的可調的勻強磁 場3，所說的陽離子接收器6經第一電阻8和第一毫安表9接地，所說的電子 接收器7經第二電阻9和第二毫安表11接地。本實施例中各部分的元件的主要性能參數和作用引流孔l:位於裝置下方的直徑為2mm的小孔，孔壁採用磁屏蔽材料制 成，用於引入離子流。採集筒2:為圓柱形的封閉裝置，其外殼採用磁屏蔽材料製成，用來避免 磁場對離子束的幹擾，保證正常測量。磁場3:由裝置前後兩個面的電磁線圈產生，用以改變粒子運動方向，使陽離子和電子分別向左右兩個方向運動，分離後分別由接收器捕捉。離子過濾器4:由金屬片圍繞而成，完全環繞著陽離子接收器，電子接收器及全部的入射粒子。該器件與地相連，用來濾除不需要的陽離子。電磁線圈5:由裝置前後兩個面的電磁線圈構成亥姆霍茲線圈，外接直流電源，通過調節該電源電壓，產生可調的恆定的勻強磁場3。陽離子接收器6由直徑2mm的金屬片製成，與離子過濾器4的外殼絕緣，外接第一電阻8和第一毫安表9，用以採集一定運行軌跡的陽離子。電子接收器7為一碗形金屬片，可以覆蓋該裝置的右半部分，與離子過
濾器的外殼絕緣，電子接收器7經第二電阻10和第二毫安表11接地，用以 採集絕大多數的電子。第一電阻8用以在測量時進行分壓，起到保護電路的作用。第一毫安表9通過測量電路中的電流，得出經流的陽離子數量。第二電阻10:用以在測量時進行分壓，起到保護電路的作用。 第二毫安表ll，通過測量電路中的電流，得出經流的電子數量。 本發明裝置的測量流程是將本發明裝置的引流孔1正對著待測離子源的離子發射方向，由離子源 發射的等離子體束正入射至引流孔1後，在磁場3的作用下，在採集筒2內 的陽離子和電子分別獲得兩個方向相反的運動速度，如圖1所示，電子向右被電子接收器7所捕獲，電子流經第二電阻10和第二毫安表11，由第二毫安表11記錄該電子流的大小，將第二毫安表11所示讀數除以入射的引流孔1 的截面積即為電子流密度，由於所發射的為等離子體，因此電子流密度即為離子源的束流密度；而陽離子向左運動，其中一部分被離子過濾器4過濾掉， 只有滿足一定運行軌道半徑的陽離子才能被陽離子接收器6所捕獲，通過對 運動軌跡的分析，得出該條件下離子的能量。第一毫安表9所代表的即為該 能量下的陽離子流密度，我們將兩表示數值相比定義為相對束流，亦即該能 量下的束流的分布概率。設入射離子質量m，速度v，能量E，電量q，運行軌跡半徑r，可變磁 場的磁感應強度B，根據公式_ gS _《S即可求出入射離子能量。調節磁場3，使第一毫安表9的示數，經過由小 到大然後又變小的過程，即可捕捉到全部能量範圍情況，最後通過積分我們 就可以獲得離子源的能量情況。利用本發明裝置對離子源進行了測量，其結果如圖2、圖3和圖4所示。 試驗表明本發明的優點是能夠同時對離子能量和束流密度進行測量。可以 同時獲得離子束流密度和能量的分布規律。本發明不但可以用於離子輔助沉 積離子束流密度和能量的測量，還可用於離子注入、離子改性和離子濺射中 束流密度和能量的測量。本發明裝置使用簡單，操作方便，實用性強。
權利要求
1、一種用於離子源的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特徵在於包括採用磁屏蔽材料製成一圓柱形採集筒(2)，在圓柱形採集筒(2)內設置一筒形結構的離子過濾器(4)，其截面為一半圓形及一等腰直角三角形的一直角邊和斜邊圍合而成，在該採集筒(2)的側壁上及所述的離子過濾器(4)的半圓形和三角形的斜邊連接處採用磁屏蔽材料設一引流孔(1)，在離子過濾器(4)的半圓形位置設置碗形電子接收器(7)，在離子過濾器(4)的等腰直角三角形的直角邊和斜邊位置處設置一片狀陽離子接收器(6)，該離子過濾器(4)接地，但與所述的陽離子接收器和電子接收器絕緣，在該採集筒(2)內兩個端面分別設置電磁線圈(5)，該電磁線圈(5)與該採集筒(2)外的一可調恆壓直流電源相連，以在該採集筒(2)中離子過濾器(4)內建立恆定的可調的勻強磁場(3)，所說的陽離子接收器(6)經第一電阻(8)和第一毫安表(9)接地，所說的電子接收器(7)經第二電阻(9)和第二毫安表(11)接地。
2、 根據權利要求1所述的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特 徵在於所述的陽離子接收器(6)的金屬片的尺寸與所述的引流孔(1)的尺 寸相當，分別位於離子過濾器(4)的斜邊的兩側對稱放置，並互相垂直。
3、 根據權利要求1所述的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特徵 在於所述的兩個電磁線圈(5)的中心同軸，二者之間的距離與線圈直徑相等。
全文摘要
一種用於離子源的離子束流密度和能量的同步測量裝置，通過磁場偏轉進行陽離子和電子的分離電子通過電子接收器進行採集，採集的電流與該裝置對應捕獲面積的比值即反映了束流密度，而陽離子通過陽離子接收器進行採集，通過對陽離子運行軌跡的分析，獲得離子能量的分布情況。本發明裝置能夠同時對離子能量和束流密度進行測量。可以同時獲得離子束流密度和能量的分布規律。本發明裝置使用簡單，操作方便，實用性強。
文檔編號C23C14/54GK101130858SQ200710046649
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月29日 優先權日2007年9月29日
發明者晉雲霞, 王聰娟, 邵建達 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所