一種離子源的電源系統及離子源的製作方法

2023-06-15 02:41:01

本申請為發明名稱為「一種離子源的電源系統及離子源」的分案申請，原申請的申請日為2016.8.31，申請號為201610792691.2。本發明涉及離子束
技術領域：
，尤其涉及一種離子源的電源系統及離子源。
背景技術：
：離子束加工是當代微電子機械系統(mems)微納精密加工的重要工藝之一，而離子源是離子束加工系統的核心。卡夫曼離子源是目前最常用的電子轟擊寬束離子源(bbis)，採用主陰極、弧板陽極、屏柵、加速柵和中和器等構成，其中主陰極可以採用直熱電子發射絲放電陰極，屏柵和加速柵組成雙柵離子光學系統，中和器為浸沒式中和陰極，主陰極在陽極電場的作用下發射電子，進入氣體放電區的惰性氣體受電子轟擊引發放電形成等離子體，雙柵離子光學系統將該等離子體抽取出來，經中和器中和後形成中性離子束。該離子源在工作過程中需要對應的陰極、弧極、屏極、加速、耦合和中和共6路電源供電。現有卡夫曼離子源的電源大多都是6路電源彼此獨立設置、獨立運行。用戶需要根據離子源工作時的狀態，手工反覆調節，導致離子源工作狀態穩定性差，重複性差，效率不高。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是，針對現有離子源的各路電源彼此獨立設置需手動調節的缺陷，提供一種根據工作情況自動調節各路電源的離子源的電源系統及採用該系統的離子源。為了解決上述技術問題，本發明提供了一種離子源的電源系統，所述離子源包括：主陰極、弧板陽極、屏柵、加速柵和中和器；所述電源系統包括：陰極電源，用於為所述主陰極提供加熱電流；弧極電源，用於對所述弧板陽極施加弧極電壓；屏柵電源，用於對所述屏柵施加屏柵電壓；加速電源，用於對所述加速柵施加加速電壓；中和電源，用於為所述中和器的陰極提供中和電流；耦合電源，用於實現離子束與所述中和器的陰極間的電壓耦合；檢測單元，與所述陰極電源、弧極電源、屏柵電源、加速電源、中和電源和耦合電源連接，用於測量各個電源的電壓或電流信號反饋值；電源控制器，與所述檢測單元以及陰極電源、弧極電源、屏柵電源、加速電源、中和電源和耦合電源連接，用於根據所述檢測單元測得的電壓或電流信號反饋值，控制各個電源的電壓或電流信號等於或接近設定值。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述電源控制器根據檢測的加速電源的電流反饋值，控制陰極電源提供的加熱電流或控制屏柵電源施加的屏柵電壓，使加速柵上的加速電流位於參考範圍內。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述電源控制器根據檢測的加速電源的電流反饋值以及參考範圍，確定電流修正值，並通過以下公式計算屏柵控制信號瞬間值：ms(t)＝kase(t)+kise(t)dt+kdsde(t)/dt；其中，e(t)是電流修正值的瞬時值，kas、kis和kds為控制參數；所述電源控制器維持陰極電源提供的加熱電流在一恆定值，並將屏柵控制信號瞬間值輸出給所述屏柵電源調節屏柵電壓。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述電源控制器根據檢測的加速電源的電流反饋值以及參考範圍，確定電流修正值，並通過以下公式計算主陰極控制信號瞬間值：mc(t)＝kace(t)+kice(t)dt+kdcde(t)/dt；其中，e(t)是電流修正值的瞬時值，kac、kic和kdc為控制參數；所述電源控制器維持屏柵電源施加的屏柵電壓在一恆定值，並將主陰極控制信號瞬間值輸出給所述陰極電源調節加熱電流。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述陰極電源的正極和負極與所述主陰極的兩端連接；所述弧極電源的正極接所述弧板陽極，弧極電源的負極接所述陰極電源的正極；所述屏柵電源的正極接屏柵以及所述弧極電源的負極；所述加速電源的正極接所述屏柵電源的負極，加速電源的負極接所述加速柵；所述中和電源的正極和負極與所述中和器的陰極的兩端連接；所述耦合電源的正極接所述屏柵電源的負極，耦合電源的負極接所述中和電源的正極並連接公共端。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述電源控制器包括弧極電源控制單元，用於在啟動離子源時將所述弧極電源調節為第一電壓水平，在預設時間後將所述弧極電源調節為第二電壓水平，且所述第二電壓水平低於所述第一電壓水平。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述第一電壓水平為60～70v。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述第二電壓水平為35～40v。在根據本發明所述的離子源的電源系統中，所述電源控制器還包括異常檢測單元，用於在檢測到電源短路、欠壓或滅弧的狀態時提醒用戶。本發明還提供了一種離子源，包括如前所述的離子源的電源系統。本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明可以在離子源工作過程中，根據反饋的各路電源電壓或電流信號，對各路電源進行自動調節，克服了現有離子源各路電源獨立工作、手動調整的缺陷，能夠使離子束自動調諧至最佳傳送狀態，從而保證離子源系統穩定、可靠、高效運行。附圖說明圖1為根據本發明離子源的電源系統的優選實施例的原理圖；圖2為根據本發明優選實施例中電源控制器的模塊示意圖；圖3為根據本發明離子源的離子束流密度分布曲線。具體實施方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。請參閱圖1，為根據本發明離子源的電源系統的優選實施例的原理圖。本發明離子源的電源系統適用於卡夫曼離子源。如圖1所示，該實施例的離子源包括：主陰極1、弧板陽極2、屏柵3、加速柵4和中和器5等。其中，離子源置於真空室內，真空室可為圓筒形，其上設有氣孔用於通入惰性氣體。弧板陽極2中間的區域構成氣體放電區。弧板陽極2外還纏有電磁線圈，用於產生高頻電場。主陰極1在弧極電場的作用下發射電子。進入氣體放電區的惰性氣體受電子轟擊引發放電形成等離子體。屏柵3和加速柵4在同一中心線上軸向間隔設置，構成雙柵離子光學系統。屏柵3從等離子體中抽取離子束，並經加速柵5加速。中和器5用於向經過加速柵4加速的離子束髮射電子，中和成為中性離子束。該離子源的電源系統至少包括：陰極電源6、弧極電源7、屏柵電源8、加速電源9、中和電源11和耦合電源10，這六路電源同時為離子源供電實現離子束髮射的過程。其中陰極電源6用於為主陰極1提供加熱電流，其正極和負極與主陰極1的兩端連接。在一定範圍內，主陰極1的加熱電流越大，放電電流越大，放電電流增加引起放電等離子體中離子密度及電子溫度增加，使離子束流增加。弧極電源7用於對弧板陽極2施加弧極電壓，其正極接弧板陽極2，負極接陰極電源6的正極。屏柵電源8用於對屏柵3施加屏柵電壓，其正極接屏柵3以及弧極電源7的負極。屏柵電壓反應離子束中離子的能量。因等離子體電位與弧極電壓相近，離子所得到的淨加速能量是弧極電壓與屏柵電壓之和。由於弧極電壓遠小於屏柵電壓，所以通常認為屏柵電壓就是離子束的能量，如屏柵電壓是1000v，離子束的能量就是1000ev。屏柵電源8的屏柵電流則反應離子束的大小，但真正從離子源引出去的離子束的大小應是屏柵電流與加速電流之差。加速電源9用於對加速柵4施加加速電壓。加速電源9的正極接屏柵電源8的負極，加速電源9的負極接加速柵4。加速電源9給加速柵施加的是負偏壓，一方面是為了引出更大的束流，另一方面是為了抑制二次電子和中和電子返流進入放電室。電子返流是不參與工作的，是假的離子束流。如果加速電壓過低，則因電子返流而使離子束流急劇上升。但是如果採用加速電壓太高，則會使離子束髮散電場加強，使離子束過於發散，不便於離子束聚焦。加速電流是離子打到加速柵4上產生的電流。中和電源10用於為中和器5的陰極提供中和電流，用於加熱中和器5的陰極，發射電子與離子束中和。中和電源10的正極和負極與中和器5的陰極的兩端連接。中和電源10的中和電流是直接浸沒在離子束中的中和陰極懸絲的加熱電流，控制向離子束髮射中和電子的能力。耦合電源11用於實現離子束與中和器5的陰極間的電壓耦合。耦合電源11的正極接屏柵電源8的負極，耦合電源11的負極接中和電源11的正極。該耦合電源11提供的耦合電壓是為了改變中和器5的陰極對束等離子體的電位使之負偏，改善離子束與中和器陰極間的電壓耦合。本發明中離子源的電源系統還包括檢測單元12以及電源控制器13。其中檢測單元12與陰極電源6、弧極電源7、屏柵電源8、加速電源9、中和電源10和耦合電源11連接，用於測量各個電源的電壓或電流信號反饋值。電源控制器13與檢測單元12以及陰極電源6、弧極電源7、屏柵電源8、加速電源9、中和電源10和耦合電源11連接，用於根據檢測單元12測得的電壓或電流信號反饋值，控制各個電源的電壓或電流信號等於或接近設定值。各個電源的輸出電壓及電流範圍如表格1所示。表格1陰極弧極屏極加速耦合中和電壓(v)0～200～1000～10000～6000～400～20電流(a)0～200～50～0.50～0.10～10～20在離子源實際工作過程中，用戶需要根據離子束參數要求設置前述陰極電源6、弧極電源7、屏柵電源8、加速電源9、中和電源10和耦合電源11的電壓或電流，例如啟動時，設定陰極電流：5.5a；弧極電壓：45v；屏柵電壓：750v；加速電壓：280v；中和電流：3a；耦合電壓：20v。電源控制器13根據各個反饋值，對相應電源進行調節，使得各個電源的電壓或電流信號等於或接近設定值。該電源控制器13還可以根據離子源工作情況隨時調整各個電源的電壓或者電流值的設定值，使離子束被調諧至最佳傳送狀態，有利於延長離子源的壽命，並能減少損耗。本發明的優選實施例中，該離子源的電源系統可以對加速柵4上產生的加速電流進行控制。如前所述，加速電流是離子打到加速柵4上產生的電流，該電流不應大於20ma，否則，會對加速柵4的柵網本身造成嚴重的損害。因此，本發明中電源控制器13根據檢測的加速電源的電流反饋值，控制陰極電源6提供的加熱電流或控制屏柵電源8施加的屏柵電壓，使加速柵4上的加速電流位於參考範圍內。優選地，該加速電流的參考範圍為10～20ma。本發明中可以通過兩種方式來調節加速柵4上的加速電流ia。第一種方式中，電源控制器13維持陰極電源6提供的加熱電流在一恆定值，通過調節屏柵電源8的屏柵電壓來控制加速電流。首先，電源控制器13根據檢測的加速電源的電流反饋值if以及參考範圍，確定電流修正值ie。設加速電流的參考範圍為[ia,ib]。當ia≤if≤ib時，表明加速電流位於參考範圍內，不需要調整，該電流修正值ie＝0。當if＜ia時，表明加速電流需要調大，電流修正值ie＝if-ia。當if＞ib時，表明加速電流需要調小，電流修正值ie＝ib-if。當確定電流修正值後，電源控制器13通過以下公式(1)計算屏柵控制信號瞬間值：ms(t)＝kase(t)+kise(t)dt+kdsde(t)/dt；(1)其中，e(t)是電流修正值ie的瞬時值，kas、kis和kds為控制參數。該控制參數kas、kis和kds可以預先通過優化以得到最佳控制結果。電源控制器13將通過公式(1)計算的屏柵控制信號瞬間值ms(t)輸出給屏柵電源8調節屏柵電壓。通過上述方法，可以在加速電流偏高時，適當提高屏柵電壓來減小加速柵4感應的加速電流；在加速電流偏小時，適當減小屏柵電壓來增加加速柵4感應的加速電流。第二種方式中，電源控制器13維持屏柵電源8施加的屏柵電壓在一恆定值，通過調節陰極電源6的加熱電流來控制加速電流。首先，電源控制器13根據檢測的加速電源的電流反饋值if以及參考範圍，確定電流修正值ie。設加速電流的參考範圍為[ia,ib]。該步驟中確定電流修正值的方法與第一種方式中相反。當ia≤if≤ib時，表明加速電流位於參考範圍內，不需要調整，該電流修正值ie＝0。當if＜ia時，表明加速電流需要調大，電流修正值ie＝ia-if。當if＞ib時，表明加速電流需要調小，電流修正值ie＝if-ib。當確定電流修正值後，電源控制器13通過以下公式(2)計算主陰極控制信號瞬間值：mc(t)＝kace(t)+kice(t)dt+kdcde(t)/dt；(2)其中，e(t)是電流修正值ie的瞬時值，kac、kic和kdc為控制參數。該控制參數kac、kic和kdc可以預先通過優化以得到最佳控制結果。電源控制器13將通過公式(2)計算的主陰極控制信號瞬間值mc(t)輸出給陰極電源6調節加熱電流。通過上述方法，可以在加速電流偏高時，適當減小主陰極的加熱電流來減小加速柵4感應的加速電流；在加速電流偏小時，適當提高主陰極的加熱電流來增加加速柵4感應的加速電流。在本發明的更優選實施例中，該離子源的電源系統還包括與電源控制器13連接的人機互動模塊14和/或外控接口15。該人機互動模塊14包括但不限於鍵盤和顯示器等設備。通過鍵盤可以設置6路電源模塊的啟動時間、停止時間、電源總的工作時間等參數，並可以存儲3個不同的參數。通過顯示器可以顯示6路電源的啟動時間、停止時間、電源總的工作時間，以及實際功率和實際電壓或電流值，例如前述電壓或電流信號的反饋值。顯示器還可以顯示短路、欠壓、滅弧等各種不同的故障狀態。外控接口15則用於接收外部控制設備發出的控制信號，例如單片機系統或plc等，從而對電源控制器13進行控制。請參閱圖2，為根據本發明優選實施例中電源控制器的模塊示意圖。如圖2所示，該電源控制器13至少包括：陰極電源控制單元131、屏柵電源控制單元132和加速電源控制單元133。在第一種方式中，加速電源控制單元133根據檢測的加速電源的電流反饋值if以及參考範圍，確定電流修正值ie，並通過公式(1)計算屏柵控制信號瞬間值ms(t)，輸出給屏柵電源控制單元132對屏柵電壓進行調節。同時，陰極電源控制單元131維持陰極電源6提供的加熱電流在一恆定值。在第二種方式中，加速電源控制單元133根據檢測的加速電源的電流反饋值if以及參考範圍，確定電流修正值ie，並通過公式(2)計算主陰極控制信號瞬間值mc(t)，輸出給陰極電源控制單元131調節陰極電源6的加熱電流。同時，屏柵電源控制單元132維持屏柵電源8施加的屏柵電壓在一恆定值。在本發明的優選實施例中，該電源控制器13還包括弧極電源控制單元134，用於控制弧極電源7的弧極電壓。本發明中根據離子起弧特性，通過對弧極電壓的分階段控制來幫助起弧，並減少能量損耗。本發明在啟動離子源時將弧極電源調節為第一電壓水平，在預設時間後將弧極電源調節為第二電壓水平。前述第一電壓水平高於第二電壓水平。優選地，第一電壓水平為60～70v，第二電壓水平為35～40v。這樣，在啟動離子源時採用60～70v的弧極電壓容易起弧且能獲得較大的放電電流。一般情況下惰性氣體被電離產生單荷離子，例如ar+，但是當電壓達到約48v左右將出現雙荷離子ar++，因此60～70v的放電電壓會使雙荷離子數量增加到佔總離子數的10～20％，雙荷離子具有單荷離子兩倍的能量，在60～70v時為120～140ev。離子源中所有材料的濺射閾值一般為20～35ev，在40～140ev能量範圍濺射額隨離子能量迅速增加。10～20％的雙荷離子ar++以120～140ev能量轟擊燈絲表面，濺射量可增加10～100倍，其結果是陰極燈絲被大量濺射逸出而侵蝕，使用壽命大大縮短，同時單荷ar+離子很少從柵孔抽出形成有效離子流，並且燈絲材料鎢w+離子一同抽出在真空室內汙染薄膜材料。因此，本發明在離子源啟動預定時間後，判斷離子源已起弧，可以將弧極電源調低至35～40v，即調到息弧的臨界值稍大一點即可。這樣，在離子源起弧後採用35～40v的弧極電壓所產生的離子基本上是單荷氬離子ar+。35～40ev的ar+在離子源內部不會產生明顯的轟擊陰極燈絲的濺射。所述預定時間為經驗參數，可由用戶設置，例如將該預定時間設置為通常離子源啟動至送氣量確定的時間。在本發明另一些優選的實施例中，電源控制器13還可以進一步包括異常檢測單元，用於在檢測到電源短路、欠壓或滅弧的狀態時提醒用戶。綜上所述，本發明的離子源的電源系統可以控制6路電源自動耦合運行且自動跟蹤調節，系統功能全面，操作簡便，穩定可靠。具體地，該離子源的電源系統具有如下調控方式：1)開機可恢復上次工作狀態，可實現一鍵啟動和停止的自動控制，即6路電源模塊根據設置的啟動和停止時間，依次啟動和停止；2)可實現耦合及屏柵束流的自動跟蹤；3)支持功率時間設置，設定時間到後，電源自動停止工作；4)通過485通信控制接口實現計算機控制，可以控制電源控制模塊的啟動和停止；5)輸出功率從最低到最高連續可調，在負載穩定情況下，功率可穩定在±1w範圍內。該離子源的電源系統具有如下安全保護功能：1)系統設有安全保護的程序，無論是在設備正常還是有故障的情況下，均能保證負載以及電源的安全使用；2)過壓和過流限制，功率最大值輸入限制，有效防止誤操作；3)允許在任何情況下長期短路；4)絕緣性能良好。本發明將上述全自動的離子源的電源系統用於發射口徑為150mm的離子源，並進行束流密度分布曲線測試。其中參數設定如下：陰極電流：5.5a；弧極電壓：45v；屏柵電壓：750v；加速電壓：280v；中和電流：3a；耦合電壓：20v；一鍵啟動電源。該束流密度的測定過程如下：1)先機械泵單機工作、後機械泵和分子泵雙機工作，使真空室的真空度抽到本底壓強。2)將氬氣充入氣體輸入口，啟動加熱放電電源產生輝光放電將氬氣原子電離形成等離子體，經屏柵陰極、加速柵陽極以及中和器，將等離子體抽取、成束、加速、中和成離子束；3)用法拉第探頭在0～170mm範圍內，每隔4mm測試單位面積內離子束束流即離子束流密度，所得離子束流密度分布曲線如圖3所示，其中橫軸為橫向距離(單位：mm)，縱軸為束流密度(單位：ma/cm2)。從圖3中可以看到，使用本發明的離子源電源系統，可以提高束流均勻度達80％。同時顯示器上將顯示各個參數的實測值：主陰極：電壓：5.5v，電流：5.5a；弧電極：電壓：45v，電流：1.3a；屏柵極：電壓：750v，電流：70ma；加速極：電壓：280v，電流：14ma；中和極：電壓：3.5v，電流：3a；耦合極：電壓：20v，電流：70ma。本發明還相應提供了一種離子源，採用前述離子源的電源系統來提供電源，該離子源的結構參見結合圖1和圖2的詳細描述，在此不再贅述。最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。當前第1頁12