[发明专利]能输出单一离子能量的离子束发射源

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用在光学真空离子束辅助镀膜机或离子束刻蚀设备中的离子束发射源(离子源)装置，特别涉及一种能输出单一离子能量的离子束发射源。

背景技术：

在薄膜技术领域，离子束辅助(IBAD)是一种将薄膜沉积(主要为物理气相沉积)与离子轰击融为一体的光学表面镀膜技术，通常是在高真空蒸发室中利用离子源所产生的荷能离子束轰击正在进行薄膜沉积的衬底材料，从而获得一定效果的薄膜。一般而言，离子束辅助镀膜技术克服了物理气相沉积和离子轰击各自的缺点，因而颇具特色。该技术可以改善薄膜的性能，实现普通热蒸发工艺无法获得的效果，自上世纪80年代以来一直受到人们的普遍重视，目前仍是广泛采用的一种成熟的光学薄膜制备技术。世界上一些发达国家，如美国、日本等国都对此予以高度的重视。离子束辅助镀膜技术已经成功用于制备一系列的硬质薄膜、光学薄膜、单晶薄膜、类金刚石薄膜和超导薄膜，并在改善材料的光学性能、机械性能、电磁学性能以及抗化学腐蚀性能上取得了令人瞩目的研究成果。

离子束辅助沉积工艺的主要过程是在镀膜前先用一定能量的离子束轰击基底，以净化表面，使表面污染的碳氢化合物分解除去，同时使基底表面温度升高，提供活化表面以利于薄膜成核。在镀膜过程中，再用适当的荷能离子轰击正在生长的薄膜，从而改变了成膜环境。此时，由于外来离子对凝聚中粒子的动量传递，使得膜料粒子在基底表面的迁移率增加，并因此影响了粒子的凝结速率及生长速率，从而导致薄膜的堆积密度接近于1，大幅度提高了膜层在基底上的附着力。同真空热蒸发技术相比，离子辅助镀膜技术提高了薄膜的填充密度和附着力，并保持了真空热蒸发镀膜技术能够方便、迅速地制备各种薄膜的优点。离子束辅助沉积可以大大的改善薄膜的性能。它不仅可以增加薄膜的聚集密度，消除薄膜柱状晶体结构，提高薄膜的致密性，还可以提高薄膜光学常数的稳定性和均匀性，改善薄膜的化学计量比等。因此该技术已经成为生产高质量薄膜的首选方法，也是目前光学加工行业普遍采用的薄膜沉积方法。

另外，离子束刻蚀与溅射也是真空领域中的两种重要技术。离子束刻蚀(或离子束减薄)可以实现样品或零件表面原子级去除、不仅仅用在化学试样表面分析，光学表面无损伤离子束加工，还用于刻蚀靶材表面，实现溅射沉积。

在这些应用过程中，离子束发射源，简称离子源是离子束辅助沉积或离子束刻蚀、溅射沉积的核心部件。离子源的作用是提供具有一定束流强度的离子束，目前广泛应用于光学、微电子、材料研究及工业生产的各个领域。

国内外围绕离子源及其参数等已经进行了大量的研究。目前，离子束辅助沉积镀膜主要包括考夫曼(Kaufman)离子源、射频离子源、冷阴极离子源和霍尔离子源等。它们的放电方式各有不同，分别适用于不同的场合，但也存在各种各样的缺点，其中所有离子源普遍存在的一个缺点是：输出的离子束中的离子并非具有单一能量，而是形成很宽的能带，具有一定的离子能谱。这是由气体放电的特性决定的，不进行过滤或选择的离子束，必然包含各种能量的离子。大量的研究结果表明，用于辅助沉积的离子能量大小严重影响着薄膜的微观结构和性能。过小的离子能量，难以充分发挥离子束辅助的效力，离子能量过高时，产生的热尖峰效应甚至足以使薄膜晶相发生变化；过大的离子能量，也会破坏薄膜的结构，对形成的薄膜产生强烈的溅射作用，以至于薄膜无法生长。

以冷阴极离子源为例，它包括一个气体放电室，该气体放电室内设置有阳极、阴极和栅极。该种离子源所提供的粒子束中过高或过低能量的离子占有一定的比重，使薄膜沉积过程的离子行为变得难以控制，对薄膜质量具有较大的影响，难以实现离子束辅助的重复性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能发射单一能量的离子束发射源，以克服现有技术存在的引出的离子并非具有单一能量，对薄膜质量影响较大，难以实现离子束辅助的重复性的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种能输出单一离子能量的离子束发射源，包括气体放电室，该气体放电室中包括阳极、阴极和引出栅极板，其特殊之处在于：在引出栅极板一侧依次设置有聚焦磁场产生单元、离子能量选择器和扩束磁场产生单元；所述离子能量选择器包括相对设置的上磁极板、下磁极板以及相对设置的第一电极板和第二电极板构成选择筒，上磁极板、第一电极板、下磁极板和第二电极板之间夹设有极板绝缘件，所述上磁极板和下磁极板之间通过极靴连接有位于选择筒外侧的主励磁线圈，第一电极板和第二电极板上分别导通连接有第一电和第二电极；选择筒的两端分别设置有以入口绝缘件和出口绝缘件相隔的入口盖板和出口盖板，入口盖板和出口盖板中部设置有能带限制通孔。