閉合式電子漂移型氣體離子源的製作方法

2023-06-23 17:35:21

專利名稱：閉合式電子漂移型氣體離子源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於真空鍍膜設備，特別是提供一種閉合式電子漂移型氣體離子源，可以應用在清洗工件、輔助沉積、等離子體增強化學氣相沉積。
背景技術：
閉合式電子漂移型離子源在H·R·Kaufman的文章中有詳細介紹，見PlasmaSource Sci.Technol.8(1999)P1-20。在此作簡要引述。
這種離子源最早是做為一種等離子體推進器，應用於太空領域。
這種離子源分為磁性層型和陽極層型兩種，這兩種的區別主要在於放電室側壁的材料和放電室長度與寬度的比例。磁性層型離子源其放電室側壁由陶瓷絕緣材料組成，其放電室的長度大於其寬度。陽極層型離子源其放電室由導電材料構成其放電室的寬度大於其長度，在文章中介紹了一種陽極層型離子源(見附圖1)，其主要技術內容如下發射電子的陰極是一空心陰極電子槍1，陽極2接收電子，外磁場線圈3，內磁場線圈4，磁路8，在內磁極5和外磁極6之間形成磁力線9，工作氣體經進氣管7進入離子源。當離子源工作時，空心陰極電子槍1發射的電子流向陽極2時，電子橫切磁力線9產生洛侖茲力，使電子作閉合式電子漂移，進入離子源的工作氣體同運動的電子相碰撞，使中性的工作氣體原子離化產生離子，離子在陰陽極之間的加速電場作用下，很快離開離子源，形成離子束流。

發明內容
本實用新型的首要目的是用一般的導磁材料代替燈絲或空心陰極電子槍作為陰極。
本實用新型的另一個目的是用一個永磁鐵就可產生所需的磁場。
根據本實用新型的設計，離子源通過引入工作氣體，使其離子化並產生等離子體區域，陽極位於等離子體區域的底部，陰極位於等離子體區域的兩側。陰陽極間放電產生的電子流在等離子體區域通過同磁場相互作用產生閉合式環形的電子漂移。同時陰陽極間的電場使等離子體區域的離子加速離開。
在真空中當真空度和陰陽極間的電位差一定的條件下，陰陽極間產生輝光放電與陰陽極間距離和放電區域的磁場強度大小有關。在本實用新型中，所採用的陰陽極間距離可使離子源在較寬的真空度範圍內順利起輝放電。本實用新型只在離子源中心處放置一個永磁體，通過採用導磁材料作為磁靴和陰極，就可在放電區域獲得理想的磁場形狀和磁場強度。
本實用新型通過用一般的導磁材料作為陰極代替了燈絲或空心陰極電子槍，可使離子源的工作成本大大降低。
本實用新型通過用一個永磁鐵就產生了所需的磁場，縮小了離子源的尺寸，使離子源應用更方便。


圖1是閉合式電子漂移型陽極層離子源示意圖。
空心陰極電子槍陰極1、陽極2、外磁場線圈3、內磁場線圈4、內磁極5、外磁極6、進氣管7、磁路8、磁力線9圖2是本發明閉合式電子漂移型離子源示意圖。
陽極10、內陰極11、外陰極12、放電室13、磁場14、磁靴15、供氣管16、永磁鐵17、進水管18、法蘭盤19、氣孔20、磁鐵外套21、水冷室22、絕緣套23實施方式 本實用新型如圖2所示，由內陰極11、外陰極12、陽極10、供氣系統、磁路等部件組成，通過法蘭盤19安裝在真空室壁上。
內陰極11、外陰極12、陽極10構成一個環形的供電室13；陽極內部有水冷室22，工作時，冷卻水由進水管18進入水冷室22，陽極10通過絕緣套23安裝在磁靴15上。工作氣體通過供氣管16進入磁鐵外套21內部，再經均勻分布的氣孔20進入放電室13。
內陰極11、外陰極12、磁靴15均由導磁材料加工而成，永磁鐵17產生的磁力線經過內陰極11、外陰極12、磁靴15在放電室13處形成徑向的磁場14，磁場在陽極10表面沿水平方向的磁場強度為0.04至0.08T(特斯拉)。
閉合式電子漂移型氣體離子源工作原理如下先將真空室抽至本底真空(如0.006Pa)，通入工作氣體，使放電室的真空達到氣體放電壓強(在0.01至0.6Pa範圍內)。通過給陽極施加一個正電壓，使陰陽極間產生放電，當電子由陰極流向陽極時，橫切磁力線，產生洛侖茲力使其作閉合式電子漂移獲得一定的能量，這些電子同工作氣體相碰撞使其離化，產生的離子受到陽極正電位的排斥，加速離開放電室，到達要處理的工件。
按本實用新型設計的一種離子源，直徑為150mm，高度為60mm，放電室長度為5mm，寬度為7mm，在放電室中心位置磁場的磁場強度是0.08T。當充入氮氣，使真空室的真空度為0.08Pa時，打開電源產生放電，此時放電電壓為1200V，放電電流為150mA，工作穩定，此時離子源處於清洗工作的狀態。當離子源同磁控濺射靶共同工作時，充入氮氣、氬氣使真空室真空度為0.3Pa，打開離子源電源，離子源工作電流最高可至8A，放電電壓為220V。此時離子源處於輔助沉積狀態。
本實用新型不限於軸對稱的圓形離子源，本離子源可為不同形狀，如圖2所示，離子源沿垂直於軸對稱的方向向兩側延伸，可以形成矩形結構，延伸長度為400～3000mm。
權利要求1.一種閉合式電子漂移型氣體離子源，由內陰極(11)、外陰極(12)、陽極(10)、供氣系統、磁路等部件組成，其特徵在於離子源通過法蘭盤(19)安裝在未詳細說明的真空室壁上；由內陰極(11)、外陰極(12)、陽極(10)構成一個環形的放電室(13)；陽極(10)內部有水冷室(22)，並通過絕緣套(23)安裝在磁靴(15)上；工作氣體通過供氣管(16)進入磁鐵外套(21)的內部，再經過均勻分布的氣孔(20)進入放電室(13)。
2.按照權利要求1所述的閉合式電子漂移型氣體離子源，其特徵在於內陰極(11)、外陰極(12)、磁靴(15)均由導磁材料加工而成，這樣永磁鐵(17)產生的磁力線就在放電室(13)處形成徑向的磁場(14)分布，使電子在放電室(13)作閉合式電子漂移，磁場在陽極(10)表面沿水平方向的磁場強度為0.04至0.08T(特斯拉)。
3.按照權利要求1所述的閉合式電子漂移型氣體離子源，其特徵在於離子源沿垂直於對稱軸的方向向兩側延伸，可以形成矩形結構，延伸長度為400～3000mm。
專利摘要閉合式電子漂移型氣體離子源屬於真空鍍膜設備，本實用新型提供了一種閉合式電子漂移型氣體離子源，由陽極(10)、內陰極(11)、外陰極(12)、供氣系統、磁路等部件構成。其特徵在於離子源通過法蘭盤(19)安裝在未詳細說明的真空室壁上；內陰極(11)、外陰極(12)、陽極(10)構成一個環形的放電室(13)；陽極(10)內部有水冷室(22)，並通過絕緣套(23)安裝在磁靴(15)上；工作氣體通過供氣管(16)進入磁鐵外套(21)的內部，再通過均勻分布的氣孔(20)進入放電室(13)。本實用新型可應用於鍍膜前清洗工件、輔助沉積、等離子體增強化學氣相沉積。
文檔編號C23C16/50GK2646155SQ03208419
公開日2004年10月6日 申請日期2003年8月26日 優先權日2003年8月26日
發明者劉湧, 宋雷 申請人:劉湧, 宋雷