[发明专利]一种新型磁路结构考夫曼型离子源

说明书

技术领域

本发明涉及离子束的发生装置，尤其涉及一种用于离子束辅助镀膜的考夫曼型离子源。 

背景技术

考夫曼型离子源属于热阴极放电型气体离子源，是一种宽束离子源。由于它能产生高束流大面积的离子束，同时又具有离子束能量、密度和方向等参数独立可控的优点，使其在离子束刻蚀、离子束溅射淀积镀膜、离子束注入和表面处理等领域有着广泛地研究和应用。 

考夫曼离子源由阳极、阴极、放电室圆筒构成放电室和屏栅、加速栅构成光学引出系统、产生磁场的磁路结构以及中和灯丝等部分组成。热阴极在阳极电场作用下发射电子，电子与工作气体分子(原子)碰撞电离，形成等离子体。磁场的作用是为了延长原初电子(阴极发射的电子，称为原初电子)的寿命，增加原初电子与工作气体分子(原子)发生碰撞的几率，提高离化率，同时约束等离子体。 

文献《Technology and applications of broad-beam ion sources used in sputtering.Part I.Ionsource technology》(J.Vac.Sci.Technol.，21(3)，1982)提及：离子束流特性的改善得益于磁场结构的优化。采用轴向磁场的放电室结构是在放电室圆筒外部装配与放电室圆筒中心轴线平行的圆柱形永久磁铁，或在放电室圆筒外部环绕电磁线圈。采用多极磁场的放电室结构是两相邻磁靴间固定有许多圆柱形永久磁铁41，阳极42位于磁靴43之间，其结构示意图如图1所示。图1中，44为磁力线，45为工作气体，46为离子束。采用此结构的优点在于：磁场大部分集中于阳极42附近很小的范围内，放电室空间内的大部分区域磁场强度很弱，对离子的作用可忽略不计，使得等离子体中的离子密度在很大范围内作均匀分布，引出的离子束流均匀性好。图1所示结构仍然是目前应用比较广泛的传统结构。 

但是，采用现有磁路结构产生多极磁场的离子源存在如下不足之处： 

1、阳极由多个圆筒(或圆环)组成，给离子源的装配增加了难度，同时也增加电源引线的接入与绝缘处理的难度； 

2、多极磁场是由多个圆柱形磁铁和磁靴组合产生，结构复杂、拆卸费时。 

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种既能产生多极磁场、又能保证结构简单、易于装配、方便拆卸的新型磁路结构考夫曼型离子源。 

本发明解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明结构组成包括由阳极管、阴极丝、加速栅和屏栅构成离子源放电室，以及用于中 和离子束中正电荷的中和灯丝； 

本发明的结构特点是设置单筒状阳极管，单筒状阳极管固定设置在位于在离子源放电室底部的基底法兰上，阴极丝位于阳极管内部，用于产生多极磁场的磁路由阳极管外周分段设置、且同名端相向的各环形磁铁和分别设置在环形磁铁顶部、底部以及隔间设置在各段环形磁铁之间的磁靴组件构成。 

本发明的结构特点也在于： 

磁靴组件设置为由导磁隔板和连接在导磁隔板外周磁靴外圈构成横置的“工”字形结构，其中，与阳极管接触的导磁隔板为导磁不导电材质，外磁靴外圈为不导磁材质。 

在阳极管的顶部设置顶端法兰，顶端法兰与基底法兰之间是以长螺栓连接构成离子源放电室支架，位于阳极管上方的加速栅和屏栅分别设置在顶端法兰上。 

在基底法兰的外周设置屏蔽罩，中和灯丝固定设置在屏蔽罩的顶端。 

在离子源放电室的外侧设置冷却水套筒。 

在顶端法兰的下表面设置有圆环形凹槽，冷却水套筒嵌装于圆环形凹槽中，与冷却水套筒4贯通的冷却水的进水管和出水管穿过基底法兰而设置。 

与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 

1、本发明采用轴向磁化的环形磁铁，通过磁靴的引磁作用，在阳极管壁附近产生局部的多极磁场，有效防止了原初电子撞击阳极管而导致能量损失；由于放电室内低磁场区的存在，避免了等离子体密度在很大放电空间内的不均匀分布。 

2、本发明中采用环形磁铁较之已有技术中的圆柱形磁铁更易于定位和安装，其成横置“工”字形结构设置的磁靴组件对于环形磁铁形成了稳固的定位，更有助于准确装配； 

3、本发明中与阳极管接触的导磁隔板为导磁不导电材质，简化了绝缘处理的问题。 

4、本发明以顶端法兰和基底法兰通过长螺栓连接构成构成离子源放电室支架，整体结构简单、便于装配和拆卸。 

5、本发明中离子源放电室外侧设置的水冷套筒使离子源在工作过程中被充分冷却，避免了因发热过度而影响正常工作寿命。