本发明涉及一种气体团簇离子源产生方法及装置，属于离子注入设备技术领域。
背景技术：
离子注入技术是上个世纪发展起来的一门半导体掺杂和表面改性技术，通过改变材料表面成分、结构，进而优化材料表面性能，甚至获得某些新的优异性能。即用具有一定能量和剂量的离子束轰击材料，离子束由于受到材料中的原子、分子的撞击或其他物理化学作用，逐渐失去能量、降低速度，最终停留在距离材料表面不远的位置。但普通的离子注入采用单原子离子，注入过程中存在沟道效应，当单原子离子沿着晶体的晶向注入时，会因为与晶格原子发生较少的碰撞而入射到很深的位置，产生拖尾现象，导致结深加大。沟道效应的存在阻碍了超浅表面的改性要求的实现。解决的办法一是降低注入离子能量，或改变入射倾斜角。二是使用多原子离子或团簇离子，因此团簇离子束技术得到重视。
气体团簇离子束设备可以产生原子数达到数千甚至上万的多原子离子，但整台设备十分精密复杂，需要各个部件的完美配合才能得到预期结果。而离子源就是核心技术，离子源的可用与否直接关系到所产生团簇离子的优劣(能量、剂量)，因而，有必要设计强束流、低能量的离子源。一方面要求产生足够数量的团簇粒子，另一方面要设计大电流的电子枪，使之与团簇粒子充分碰撞，使团簇粒子电离，变成团簇离子束。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种气体团簇离子源产生方法及装置，可以用于产生并加速热电子，使中性团簇粒子充分电离，得到团簇离子，然后在引出极(亦称为吸极)、加速器和e型永久磁铁作用下，众多的团簇离子聚集成团簇离子束。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种气体团簇离子源产生方法，包括以下步骤：
(1)利用脉冲控制阀控制喷出脉冲式气流束，所述脉冲式气流束包含两个不同的锥形气流，其中一个锥形气流由发散式的单原子构成，另一个锥形气流由集中于脉冲式气流束中心轴的中性团簇粒子构成；
(2)脉冲式气流束经过分束器，排除部分单原子，中性团簇粒子和另外部分单原子通过分束器；
(3)脉冲式气流束经过电离器，电离器中产生热电子，脉冲式气流束的中性团簇粒子离化成为团簇离子，单原子离化成单原子离子；
(4)脉冲式气流束继续经过吸极，在吸极内获得初始加速度并汇聚形成收敛的圆锥形气流束；
(5)圆锥形气流束继续经过加速器和透镜进一步加速后通过e型永久磁铁，经过e型永久磁铁的磁场时，圆锥形气流束中的单原子离子和原子数小于等于100的团簇离子在洛仑磁力的作用下偏离，原子数大于100的团簇离子维持原路径穿过磁场，形成团簇离子束。
本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇离子源产生装置，包括用于产生脉冲式气流束的脉冲控制阀，以及沿脉冲式气流束喷出方向依次布置的分束器、电离器、吸极、加速器、透镜以及e型永久磁铁。
所述脉冲控制阀设有超声喷嘴和定位与准直装置。
所述分束器的最小孔径为1.4～2mm。
所述分束器采用纯铝材料，表面镀层为ni。
所述电离器采用中心轴与脉冲式气流束喷出方向一致的圆柱形不锈钢栅屏外壳，其内部设有两个阴极和一个位于所述两个阴极之间的阳极，阴极采用钨丝，圆柱形不锈钢栅屏外壳的两端分别通过氮化硼绝缘盘与接地的光阑相连。
阳极电压相对于阴极高60～200v，阳极电流最大为40ma，阴极电流最大为1.4a。
所述吸极为中心轴与脉冲式气流束喷出方向一致的圆柱形，电离器阳极电压为uan时，吸极所加电压uan–uan/20。
所述加速器由沿脉冲式气流束喷出方向布置的三级静电透镜组成，其中间的静电透镜加有负电压-7～12kv，另外两个静电透镜接地。
所述e型永久磁铁长50mm，由铁芯和两个磁极构成，其中心处磁场为50～150mt。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的气体团簇离子源产生方法能够实现在标准温度和一定气压下，使得通过锥形喷嘴的中性团簇，在与电子的碰撞中发生电离，形成气体团簇离子，后在吸极、加速器和e型永久磁铁作用下，汇聚成团簇离子束；
(2)本发明的气体团簇离子源产生装置中，电离器阴极材料为钨丝，用于放射热电子，热电子从阴极到达阳极的过程中与团簇粒子碰撞，使其电离成团簇离子，整个电离器由圆柱形不锈钢栅屏包裹，栅屏可阻止热电子逃逸，使其充分接触团簇，电离器两端通过氮化硼绝缘盘与接地的光栏相连，氮化硼绝缘盘用于隔离电离器和光阑，同时可支撑阳极、阴极和不锈钢栅屏；
(3)本发明的气体团簇离子源产生装置中，吸极呈圆柱形，用于汇聚团簇离子以形成收敛的圆锥形离子束；
(4)本发明的气体团簇离子源产生装置中，e型永久磁铁长50mm，由铁芯和两个co-sm磁极构成，其中心处磁场约150mt，依据洛仑兹力磁铁起质量分离作用，单原子离子和轻团簇偏离，而重团簇几乎维持原路径穿过磁场，最终汇聚成团簇离子束。
附图说明
图1是本发明的气体团簇离子源产生装置的结构示意图。
图中：1-脉冲控制阀，2-超声喷嘴，3-定位与准直装置，4-团簇气流，5-单原子锥形气流，6-分束器，7-光阑，8-通过电离器的脉冲式气流束，9-电离器，10-圆柱形不锈钢栅屏外壳，11-阴极，12-阳极，13-第一氮化硼绝缘盘，14-第二氮化硼绝缘盘，15-吸极，16-加速器，17-第一静电透镜，18-第二静电透镜，19-第三静电透镜，20-e型永久磁铁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种气体团簇离子源产生方法，包括以下步骤：
(1)利用脉冲控制阀控制喷出脉冲式气流束，所述脉冲式气流束包含两个不同的锥形气流，其中一个锥形气流由发散式的单原子构成，另一个锥形气流由集中于脉冲式气流束中心轴的中性团簇粒子构成；
(2)脉冲式气流束经过分束器，排除部分单原子，中性团簇粒子和另外部分单原子通过分束器；
(3)脉冲式气流束经过电离器，电离器中产生热电子，脉冲式气流束的中性团簇粒子离化成为团簇离子，单原子离化成单原子离子；
(4)脉冲式气流束继续经过吸极，在吸极内获得初始加速度并汇聚形成收敛的圆锥形气流束；
(5)圆锥形气流束继续经过加速器和透镜进一步加速后通过e型永久磁铁，经过e型永久磁铁的磁场时，圆锥形气流束中的单原子离子和原子数小于等于100的团簇离子在洛仑磁力的作用下偏离，原子数大于100的团簇离子维持原路径穿过磁场，形成团簇离子束。
本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇离子源产生装置，参照图1，包括用于产生脉冲式气流束的脉冲控制阀1，以及沿脉冲式气流束喷出方向依次布置的分束器6、电离器9、吸极15、加速器、透镜16以及e型永久磁铁20。
所述脉冲控制阀1设有超声喷嘴2和定位与准直装置3。
所述分束器6的最小孔径为1.4～2mm。
所述分束器6采用纯铝材料，表面镀层为ni。
所述电离器9采用中心轴与脉冲式气流束喷出方向一致的圆柱形不锈钢栅屏外壳10，其内部设有两个阴极11和一个位于所述两个阴极11之间的阳极12，阴极11采用钨丝，圆柱形不锈钢栅屏外壳10的两端分别通过一个氮化硼绝缘盘与接地的光阑7相连，两端分别为第一氮化硼绝缘盘13和第二氮化硼绝缘盘14。
阳极电压相对于阴极高60～200v，阳极电流最大可达40ma，阴极电流最大可达1.4a。
所述吸极为中心轴与脉冲式气流束喷出方向一致的圆柱形，电离器阳极电压为uan时，吸极所加电压uan–uan/20。
所述透镜采用由沿脉冲式气流束喷出方向布置的三级静电透镜，依次为第一电极17、第二电极18和第三电极19，第一电极设有加速器，其中间的第二电极加有负电压-7～12kv，第一电极和第二电极均接地。
所述e型永久磁铁长50mm，由铁芯和两个磁极构成，其中心处磁场为50～150mt。
气体团簇离子源产生装置的工作过程为：
(1)在标准温度和一定气压(t＝300k，psource＝1～10bar)下，利用脉冲控制阀控制喷出脉冲式高气压气流束，脉冲式气流束成锥形，可分为两个部分，其中一部分分布较广，主要由单原子构成，为单原子锥形气流5，另一部分分布相对集中，更接近中心轴，为由集中于脉冲式气流束中心轴的中性团簇粒子构成的团簇气流4；
(2)脉冲式气流束经过分束器6，气流从孔径最小处进入分束器时，只有分布集中的团簇才能顺利通过，能够排除部分单原子，中性团簇粒子和另外部分单原子通过分束器，通过分束器的团簇仍然会呈圆锥形，且与电离器中心轴重合；
(3)脉冲式气流束经过电离器9，电离器中阴极材料为钨丝，用于放射热电子。阳极电压相对于阴极高60-200v，用于加速热电子直至其能量达到团簇粒子的电离能，热电子从阴极到达阳极的过程中与团簇粒子碰撞，使其电离成团簇离子；阳极电流约40ma，阴极电流1.4a。整个电离器由圆柱形不锈钢栅屏包裹，栅屏可阻止热电子逃逸，使其充分接触团簇；电离器两端通过氮化硼绝缘盘与接地的光栏相连，氮化硼绝缘盘用于隔离电离器和光阑，同时支撑阳极、阴极和不锈钢栅屏；脉冲式气流束的中性团簇粒子离化成为团簇离子，单原子离化成单原子离子；
(4)通过电离器的脉冲式气流束8继续经过吸极15，在吸极内获得初始加速度并汇聚形成收敛的圆锥形气流束；
(5)圆锥形气流束继续经过加速器进一步加速后通过e型永久磁铁，经过e型永久磁铁的磁场时，圆锥形气流束中的单原子离子和原子数小于等于100的团簇离子(重团簇)在洛仑磁力的作用下偏离，原子数大于100的团簇离子(轻团簇)维持原路径穿过磁场，形成团簇离子束。
本发明提供的一种气体团簇离子源产生方法及装置，可在标准温度和一定气压下，使得通过锥形喷嘴的中性团簇，在与电子的碰撞中发生电离，形成气体团簇离子，后在吸极、加速器和e型永久磁铁作用下，汇聚成团簇离子束。