一种可降低电子逃逸率的离子源的制作方法

本发明涉及离子源设备技术领域，具体涉及一种可降低电子逃逸率的离子源。

背景技术

在pecvd(等离子体增强化学气相沉积法)反应中通常会用到一种阳极层等离子源，在dlc沉积过程中，它用于离化惰性气体如氩气，或者直接离子化乙炔、丙酮等反应沉积气体，使其形成离子流射入到反应真空腔体中，并增大沉积反应气体的离子化率，进而提高dlc涂层中sp3的比例和沉积速率，实现沉积薄膜质量的提高以及沉积时间的缩短。

阳极层离子源最初是由运用于太空发动机度封闭漂移离子推进器发展而来，在阴极板上开出一个环形缝隙，在环形缝隙的下方设置一个环形的阳极，在阴极板的中心放置永磁体，并与阴极板的外圈形成磁轭。在阴极板与阳极之间施加电场时，可使环形缝隙处形成正交的电场与磁场。电磁场的叠加影响了等离子体中带电粒子的运动情况，尤其是电子，电磁场的作用是限制电子的运动范围，延长了电子的运动轨迹，使电子约束在阴极板的环形缝隙处呈旋轮漂移运动，这样电子就像是被封闭在了这个环形的“跑道”上，只能在这个环形封闭的“跑道”上周而复始地漂移。

大量的电子在“跑道”上漂移，形成了一个环形高密度电子云，当有气体被注入到存在漂移电子云的环形跑道上时，惰性气体分子与电子碰撞的几率大大增加，因此惰性气体分子会被高效地离子化。同时这个环形高密度电子云的存在使得在阳极板表面形成一个电势梯度很高的阳极层，当惰性气体在环形电子云中被离子化后，立刻就会被这个高电势梯度推动并沿着阳极板表面的法线方向发射出去，从而成为pecvd反应所需要的高能带电正离子。

现有的离子源在设计时都只是简单的在阴极磁回路的一侧设置永磁体或电磁铁，这样会导致在阴极磁极靴缝隙处的磁场分布不对称，从而使电子在正交电磁场的跑道上漂移时所受内外侧的约束力不对称，容易出现大部分电子逃逸出封闭漂移跑道的现象，逃逸出的电子溅射在阴极磁极靴上，加大了阴极磁极靴的刻蚀，同时阴极磁极靴本身材料因溅射出的原子会污染沉积薄膜，不仅影响了最终镀膜的质量，而且缩短了阴极磁极靴的维护周期，提高了维护成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可降低电子逃逸率的离子源，该离子源通过增加对称的磁场，提高阴极缝隙处两边磁场分布的均匀度，可减小电子的逃逸率，有效降低电子对阴极磁极靴的轰击概率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种可降低电子逃逸率的离子源，包括阳极环、内阴极和外阴极，阳极环位于内阴极与外阴极之间，所述阳极环、内阴极和外阴极均为轴对称结构，外阴极的磁轭中部固定有软磁柱，软磁柱一端穿过阳极环的内孔中心并与内阴极的中部连接，所述内阴极的磁极靴上任意一处的纵截面形状均与对应处外阴极的磁极靴纵截面形状互为镜像对称，且内阴极的磁极靴与外阴极的磁极靴之间形成环形的阴极缝隙，所述阳极环正对于阴极缝隙的下方，所述外阴极的磁轭上设置有两块永磁体，两块永磁体关于软磁柱对称，且两块永磁体分别位于阳极环上相对两侧的正下方。

进一步地，所述内阴极与外阴极均采用软磁材料制作，且内阴极的磁极靴以及外阴极的磁极靴均采用杂质含量低于0.02％的纯铁材料制作。

进一步地，所述内阴极的磁极靴以及外阴极的磁极靴上均镀有一层保护层。

进一步地，所述保护层为铬层。

进一步地，所述内阴极的磁极靴与外阴极的磁极靴相互靠近的端部均呈圆弧型，且圆弧的半径不大于2mm。

进一步地，所述内阴极与外阴极的磁极靴端部均加工有上反角和下反角，上反角的角度与下反角的角度一致。

进一步地，所述上反角的角度范围为30～45°。

本发明针对传统封闭电子漂移跑道上的正交电磁场不均匀问题进行改进，改变传统封闭漂移离子源中的磁场回路设计，通过增加额外磁场并将产生磁场的永磁铁安放位置移动到磁回路中与磁极靴缝隙相对的位置处，从而提高磁极靴缝隙处两边磁场分布的均匀度，实现磁回路两侧磁阻是对称的，可减小封闭漂移跑道上电子的逃逸率；此外，通过改进磁极靴的外形，可增加缝隙处两侧相对其中心轴线的磁场强度，强化不均匀磁场的磁镜效应，可有效降低封闭漂移跑道中电子对阴极磁极靴的轰击概率。

附图说明

图1为本发明的纵截面结构示意图；

图2为本发明中内阴极与外阴极的磁极靴结构示意图。

图中标记：1-内阴极；2-外阴极；3-永磁体；4-阳极环；5-阴极缝隙；6-中心轴线；7-软磁柱；8-磁极靴对称轴线；9-水平轴线。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例提供的可降低电子逃逸率的离子源包括由阳极环4、内阴极1和外阴极2构成的放电室，所述阳极环4位于内阴极1与外阴极2之间，所述阳极环4、内阴极1和外阴极2均为轴对称结构，且整个放电室关于中心轴线6对称，具体地，所述外阴极2的磁轭中部固定有软磁柱7，软磁柱7一端穿过阳极环4的内孔中心并与内阴极1的中部连接，所述外阴极2的磁轭上设置有两块永磁体3，两块永磁体3关于软磁柱7对称，通过增加一个永磁体3，可使整个离子源中形成两个独立的磁回路，从而解决传统磁场分布不均匀的问题。为了提高两块永磁体3在封闭漂移跑道上产生对称度较高的磁场，所述内阴极1的磁极靴上任意一处的纵截面形状均与对应处外阴极2的磁极靴纵截面形状关于磁极靴对称轴线8对称，且内阴极1的磁极靴与外阴极2的磁极靴之间形成环形的阴极缝隙5，阴极缝隙5的俯视形状可为圆环状或条形环状，所述阳极环4的形状与阴极缝隙5的形状相同，且阳极环4的纵截面宽度大于阴极缝隙5的尺寸，阳极环4正对于阴极缝隙5的下方，所述正对于指阳极环4上任一处的纵截面的竖直轴线与磁极靴对称轴线8重合，所述永磁体3上任一处的纵截面的竖直轴线与磁极靴对称轴线8也重合，这样能提高阴极缝隙5处两边磁场分布的均匀度，实现两侧磁回路磁阻是对称的，就能保证释放放出来的磁力线密度相同，也就实现了磁场较高的对称度，从而减小封闭漂移跑道上电子的逃逸率。

为了更好的控制封闭跑道上的电子，除了形成沿着垂直方向的磁极靴对称轴线8外，还需要在阴极缝隙5处两侧对应的磁极靴上形成水平轴线9。具体地，内阴极1的磁极靴与外阴极2的磁极靴相互靠近的端部均处理为具有一定圆弧半径的转角，该圆弧角自身关于水平轴线9对称，虽然理论计算为了使阴极缝隙5两侧磁场强度达到最大值，磁极靴的端部应当设计为锐角，且曲率半径越小越好，但实际的机械加工无法加工出完美的锐角，反而会因为过于尖锐的边界处因为微小的加工缺陷而导致磁场强度产生剧烈的变化，从而使磁场强度分布均匀度降低，因此将圆弧角的曲率半径适当放大，以提高边界加工的平整性，即圆弧角的半径不应大于2mm，优选为0.5mm。

相对于常见的离子源，其阴极缝隙5处两侧的磁极靴只设计了上反角a，本离子源中还增加了与上反角a角度一致的下反角b，通过增加下反角b可以更均匀地实现从阳极环4表面沿其轴向方向垂直磁场的分布是逐渐增强的，在漂移跑道内因碰撞产生出的阳离子可被电场加速沿轴向方向排出时会经历逐步增强的横向磁场，从而增加正离子向阴极缝隙5的磁极靴对称轴线8处汇聚，减少轰击磁极靴的可能性，上反角a和下反角b的角度范围均为30～45°，保证整个圆弧角的总角度范围为60～90°，该角度范围有助于离子的散射，能改善沉积的均匀性。

所述内阴极1与外阴极2均采用软磁材料制作，且内阴极1的磁极靴以及外阴极2的磁极靴均采用杂质含量低于0.02％的纯铁材料制作，可使磁极靴达到非常高的磁导率，减少磁场强度的损失。为了降低阴极磁极靴被溅射的损伤，所述内阴极1的磁极靴以及外阴极2的磁极靴上均镀有一层保护层，保护层优选为铬层，对于dlc沉积时，可大大降低铁元素对涂层产品的溅射污染。

本发明结构的对称度较高，可使两侧相对的阴极缝隙5处的磁场强度比值控制在0.95～1.05之间，并且在阴极缝隙5两侧磁极靴的表面磁场强度最大值是阴极缝隙5中间位置的磁场强度的2.5倍以上，可有效地将电子约束在封闭漂移的跑道上。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。