一种离子源的制作方法

本实用新型涉及离子束技术领域，尤其涉及一种等离子体桥式中和器位置可调的离子源。

背景技术：

离子束加工是当代微电子机械系统(MEMS)微纳精密加工的重要工艺之一。离子源是离子束加工系统的核心，它是通过向放电室上游端的主阴极加压，将充入放电室的惰性气体经辉光放电电离成等离子体，经离子光学系统引出带正电的离子束，经过下游端的中和阴极向离子束发射与束电流等量的电子流进行电荷中和，生成高能高速的、可用于微机电加工的中性离子束。

为了避免正电荷在离子束中或离子束轰击工件表面上的积累，消弱空间电荷效应减少束发散，需要中和阴极向离子束喷发电子，随着离子束发射，形成束等离子体而完成正负电荷中和。常用的直热电子发射丝阴极中和器可分为浸没式和外置式两种。其中浸没式阴极中和器的原理是采用直接穿过离子束的钨或铊丝，当加热到2200～2300℃以上温度时向离子源引出的带正电的离子束发射电子，电子电流耦合进入离子束消除静电荷而形成中性等离子体。该浸没式的缺陷是：因浸没在离子束中，直接受束离子的轰击溅射，阴极灯丝很快变细并最终烧断，需要频繁更换；如果在反应气体气氛中使用消耗更快；在离子源超高真空工作环境中，因更换阴极灯丝需要再次获得超高真空，非常费时。而外置式中和器需要加较高的负耦合电压，受束离子与中性原子电荷交换生成的离子轰击溅射较严重，所以这两种热阴极中和器都只有几十小时的工作寿命。

卡夫曼离子源等离子体桥式中和器(PBN)采用腔式空心阴极(Hollow Cathode，HC)，下游端的喷嘴向离子束发射电子，好象在阴极和离子束之间架起了一座运送中和电子的等离子体桥。该等离子体桥式中和器具有以下优点：1)因置于离子束外侧，避免了离子束的直接轰击，连续工作时间长，寿命长达100小时以上，大大提高了离子源的维护周期和使用寿命；2)使用氩气放电，很小的喷口使内部压强高出离子束环境1～2个数量级，极大减轻了反应气体的损害，具有稳定的工作特性；3)克服了浸没式和外置式直热阴极中和器给工件带来的污染，在低能离子束薄膜材料制备和离子束刻蚀中有广泛的应用。

然而，现有等离子体桥式中和器与离子源的离子束之间的相对位置是固定不变的。当离子源的离子束参数发生变化后，等离子体桥式中和器的耦合效果将变差。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术中等离子体桥式中和器与离子源的离子束之间相对位置固定的缺陷，提供一种通过检测等离子体电位分布来调整等离子体桥式中和器位置的离子源。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种离子源，包括：气体电离装置、离子光学系统和等离子体桥式中和器；其特征在于：所述离子源还包括用于检测等离子体电位径向分布的电位检测装置，以及用于调整所述等离子体桥式中和器位置的夹角调节装置，所述电位检测装置置于离子源的出射位置，并与所述夹角调节装置连接。

在根据本实用新型所述的离子源中，所述气体电离装置包括放电室以及内部的主阴极、筒形阳极和电磁线圈；所述放电室为圆筒形，所述主阴极位于放电室的上端，所述筒形阳极围绕所述主阴极设置，所述电磁线圈缠绕在所述筒形阳极外。

在根据本实用新型所述的离子源中，所述离子光学系统包括屏栅和加速栅，所述屏栅和加速栅设置在所述放电室的下端，且在同一中心线上轴向间隔设置。

在根据本实用新型所述的离子源中，所述等离子体桥式中和器安装在底座上，所述夹角调节装置与所述底座连接控制所述底座旋转。

在根据本实用新型所述的离子源中，所述离子源的口径为15cm，。

在根据本实用新型所述的离子源中，所述等离子体桥式中和器与离子束之间的径向距离为1.5～2.5cm。

在根据本实用新型所述的离子源中，所述等离子体桥式中和器与离子光学系统的轴向距离为3～6cm。

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型通过增设电位检测装置和夹角调节装置，可以根据离子束出射位置的等离子体电位径向分布来调整等离子体桥式中和器与离子束轴线之间的夹角，进而可以在用户设置不同的离子束参数时，动态调整等离子体桥式中和器的位置，从而达到最佳的中和效果。

附图说明

图1为根据本实用新型优选实施例的离子源的结构示意图；

图2为根据本实用新型优选实施例的离子源中气体电离装置和离子光学系统的具体结构示意图；

图3为根据本实用新型优选实施例的离子源中等离子体桥式中和器的结构示意图；

图4为根据本实用新型的离子源在初始角度的等离子体电位径向分布图；

图5为根据本实用新型的离子源在夹角调整后的等离子体电位径向分布图；

图6为根据本实用新型的等离子体桥式中和器的空间位置示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，为根据本实用新型优选实施例的离子源的结构示意图。如图1所示，该实施例提供的离子源包括：气体电离装置1、离子光学系统2和等离子体桥式中和器(PBN)3。

其中，气体电离装置1用于产生等离子体。离子光学系统2用于从等离子体中抽取离子束并加速。等离子体桥式中和器3用于向离子束发射电子生成中性离子束。

请参阅图2，为根据本实用新型优选实施例的气体电离装置和离子光学系统的具体结构示意图。具体地，该气体电离装置1包括放电室11以及内部的主阴极12、筒形阳极13和电磁线圈14。放电室11可为圆筒形，其上设有气孔15用于通入惰性气体。离子光学系统2包括屏栅21和加速栅22，两者在同一中心线上轴向间隔设置。主阴极12和离子光学系统2分别位于放电室11的轴向两端，即图2中放电室11的上端和下端。筒形阳极13中间的区域构成气体放电区。电磁线圈14位于筒形阳极13外侧，用于产生高频电场。主阴极12在筒形阳极电场的作用下发射电子。进入气体放电区的惰性气体受电子轰击引发放电形成等离子体7。屏栅21用于从等离子体中抽取离子束，并经加速栅22加速。本实用新型离子源使用的惰性气体可以是氩气、氪气、氙气、氦气或氖气。

请参阅图3，为根据本实用新型优选实施例的离子源中等离子体桥式中和器的结构示意图。如图3所示，本实用新型的等离子体桥式中和器3包括：放电室腔体31以置于该放电室腔体31内部的钨丝电子发射极32，该钨丝电子发射极32通过加热电源接入端33连接加热电源，该钨丝电子发射极32还通过偏压电源接入端34连接偏压电源。放电室腔体31上设有气孔35，用于通入惰性气体。放电室腔体31中被偏置的钨丝电子发射极32向室壁发射电子，在腔体内部放电形成等离子体，等离子体中的电子从喷口36被耦合电压抽出进入离子束。即在离子束与阴极喷口之间形成了放电桥，PBN发射的电子通过此桥进入了离子束，中和形成中性离子束。

本实用新型中离子源还包括电位检测装置4和夹角调节装置5。其中，电位检测装置4，置于离子源的出射位置，用于检测离子源出射位置的等离子体电位径向分布。电位检测装置4优选但不限于采用法拉第探头来测量离子源出射位置的等离子体电子温度和电位。该法拉第探头可以在垂直于离子束轴线的平面内进行扫描，以获取距离离子束轴线不同径向距离的等离子体电位，作为等离子体电位径向分布。夹角调节装置5与电位检测装置4电连接，用于接收电位检测装置4获得的等离子体电位径向分布，并产生夹角控制信号来调整等离子体桥式中和器3的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角θ。

在本实用新型的优选实施例中，等离子体桥式中和器3可以安装在底座6上，底座6可带动等离子体桥式中和器3转动。因此，夹角调节装置5可以发送夹角控制信号给底座6，通过控制底座6旋转来调整等离子体桥式中和器的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角θ。

下面对夹角调节装置5的具体控制方式进行介绍。在本实用新型的一些实施例中，该夹角调节装置5可以预先内置算法程序，根据当前夹角θ与测得的等离子体电位径向分布，计算出最佳的夹角值。

在本实用新型的另一些优选实施例中，夹角调节装置5可以逐级调整等离子体桥式中和器3的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角θ，同时通过电位检测装置4检测当前夹角对应的等离子体电位径向分布，判断该等离子体电位径向分布是否满足预设条件，是则表明已经达到最佳夹角位置，立即停止夹角调整操作，否则继续夹角调整操作。也就是说，由夹角调节装置5间断式调整底座6的旋转角度，直至达到最佳的等离子体电位径向分布时为止，进而确定等离子体桥式中和器3与离子束的相对位置。在本实用新型的优选实施例中，该预设条件为等离子体电位径向分布的方差σ低于预设方差值。

下面结合实验结果对上述过程进行说明。以离子源发射口径为15cm为例，即前述筒形阳极13的直径为15cm。等离子体桥式中和器3选用直径和长度都是5cm的内热放电室腔式空心阴极，内置0.25mm钨丝电子发射极31，喷口36直径为1mm，喷口距离子源的加速栅5cm，距束中心8cm，到束边缘约2.5cm。用直径为0.75mm的法拉第探头测量离子束流，并根据厚鞘理论得出离子束中等离子体电子温度和电位，探测位置距加速栅16.5cm。离子源按标准条件800eV，0.6mA/cm²工作。

首先，以θ＝90°为初始角度，夹角调节装置5通过电位检测装置4得出不同径向位置的等离子体电位如图4所示，包括径向位置为-7.5cm、-5cm、-2.5cm、0cm、2.5cm、5cm和7.5cm。该测量过程中法拉第探头在束中扫描范围为15cm，从束中心两侧各行走7.5cm，每行走2.5cm测出一个数据。该电位检测装置4位于距离加速栅16.5cm的位置。夹角调节装置5对图4测得的各个径向位置的等离子体电位求方差σ，判断其方差σ高于预设方差值，不满足预设条件，表明未达到最佳夹角位置，需要继续夹角调整操作。因此夹角调节装置5逐级调整等离子体桥式中和器3的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角θ分别为88°、86°、84°……等。并相应检测其对应的等离子体电位径向分布的方差σ，均高于预设方差值。直至夹角θ＝72°时，测得不同径向位置的等离子体电位如图5所示，该等离子体电位径向分布的方差σ低于预设方差值，表明已达到最佳夹角位置，可以停止夹角调整操作，使离子体桥式中和器3与离子束的位置相对固定。夹角θ的递减值可以由用户根据经验预设。

本实用新型还通过大量实验与经验总结，得到等离子体桥式中和器3的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角θ在20°以上时中和效果较好。且该等离子体桥式中和器3在设置时喷口方向最好朝向离子束出射位置，即图1中夹角θ呈锐角。因此在本实用新型更优选的实施例中，对上述判断流程进一步优化。该夹角调节装置5还在检测等离子体电位径向分布不满足预设条件时，再次检测当前等离子体桥式中和器3的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角θ是否位于20°至90°的范围内，是则继续夹角调整操作，否则停止夹角调整操作。也就是说，该夹角θ只能在20°-90°的范围内进行调整。

综上所述，本实用新型通过设置电位检测装置4和夹角调节装置5，可以根据离子束出射位置3的等离子体电位径向分布来调整等离子体桥式中和器3与离子束轴线之间的夹角，进而可以在用户设置不同的离子束能量或者束流密度时，动态调整等离子体桥式中和器的位置，从而达到最佳的中和效果。与现有技术的方案相比，本实用新型离子源的等离子体桥式中和器的配置方案灵活性更好，适应范围更广。

本实用新型的夹角调节装置5还可用于控制底座6移动以调整等离子体桥式中和器3与离子束之间的径向距离L_r，以及等离子体桥式中和器3与离子光学系统的轴向距离L_s。请参阅图6，为等离子体桥式中和器的空间位置示意图。如图6所示,径向距离L_r为等离子体桥式中和器3的喷口36与加速栅22栅孔区的边缘在离子源径向上的距离。一般而言，从加速栅22射出的离子束轮廓边缘并不是几何线，存在着束流密度向零过渡的边缘区域，如图6中虚线与加速栅22栅孔区的边缘之间的区域。探测发现了这个区域存在着较多高能量离子。从寿命考虑，等离子体桥式中和器3的喷口最佳位置优选位于该边缘区域之外。图6中A处的L_r＝1cm；B处的L_r＝2cm；C处的L_r＝3cm。在图6所示的实施例中，当离子源口径为15cm时，该等离子体桥式中和器3的喷口最佳位置是在径向距离L_r＝1.5～2.5cm的位置。

本实用新型的夹角调节装置5可以接收用户指令，对前述径向距离L_r和轴向距离L_s进行调整，也可以根据检测到的等离子体电位的径向分布对径向距离L_r和轴向距离L_s进行调整。如前所述，当离子源口径为15cm时，优选将等离子体桥式中和器3的喷口位置调整至径向距离L_r＝1.5～2.5cm，更优选为2cm。等离子体桥式中和器3与离子光学系统的轴向距离调整为3～6cm。按照该位置设计，等离子体桥式中和器3的中和效果最佳，且使用寿命可超过100h。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。