多通道离子源产生装置的制作方法

本发明涉及离子源技术领域，尤其涉及一种多通道离子源产生装置。

背景技术：

离子束辅助沉积镀膜(ionbeamassisteddeposition)简称iad法，是20世纪80年代中期发展起来的一种镀膜技术，它是在热蒸发镀膜的同时用离子束对基片施以某种工作气体的离子轰击，已经被普遍应用在现代高质量、高难度、高效率的镀膜生产中。

离子源作为离子束辅助沉积的装置，在改变沉积薄膜成份结构的过程中起着决定性作用。其工作原理是阴极电热丝通电后发热发光，产生热电子，热电子在阳极正电压的拉动下向阳极运动，在运动过程中受到正交电磁场的作用，产生横向的霍尔电流，同时竖直方向上的电场提供了持续的能量补充。

离子源按照离子加速方式一般分为有栅离子源和无栅离子源。无栅离子源常用的有霍尔离子源、阳极层离子源和aps离子源等，因为不需要栅网而具有结构简单的优点，合理设计磁场可在较小的放电功率下(～4kw)就能得到最大的离子流密度500μa/cm2，但是存在能量较低(离子能量：20-200ev)、使用成本高、作用范围小等缺点。有栅离子源常用的有考夫曼离子源和射频离子源等，利用栅极对等离子体进行加速，并采用中和器进行强迫中和。以美国veeco公司的射频离子源最具代表性，它的优点是：栅极加速能量大，离子可聚束，能量调节范围宽，适用于反应气体。缺点是：结构较为复杂、价格昂贵，稳定性差，发射的离子束流较低，以及离子能量分布不均匀等。

技术实现要素：

针对上述问题，有必要提供一种能克服上述技术问题的多通道离子源产生装置。

一种多通道离子源产生装置，包括：热电子发生器以及与热电子发生器相连通的电离腔室，所述热电子发生器能产生并输送热电子至电离腔室，所述电离腔室侧壁设置有多个独立的进气通道以及与进气通道一一对应的射出通道，电离腔室接入有偏压以产生电场，所述电离腔室侧壁绕设有线圈组以产生磁场，经所述热电子发生器产生的热电子或者经所述电离腔室产生的离子在所述电场及所述磁场的作用下能经多个所述射出通道射出。

与现有技术相比较，本发明提供的多通道离子源产生装置由于在电离腔室侧壁设置有多个独立的进气通道以及与进气通道一一对应的射出通道，从而经所述热电子发生器产生的热电子或者经所述电离腔室产生的离子在所述电场及所述磁场的作用下能经多个所述射出通道射出，也即增加了离子源的射出通道，可以同时引出多束离子源进行工作，从而，增加了离子源与工件的接触面积，能满足工件的大面积处理需求。

附图说明

图1为本发明一较佳实施方式多通道离子源产生装置的剖面示意图。

图2为图1的多通道离子源产生装置包括的离子源发生器的剖面示意图。

图3是图1的多通道离子源产生装置包括的栅极组件的剖面示意图。

图4是图1的多通道离子源产生装置形成的一种表面处理设备的示意图。

图5是图1的多通道离子源产生装置形成的又一种表面处理设备的示意图。

图6为图5的表面处理设备包括的线圈组周期性通电示意图。

主要元件符号说明

多通道离子源产生装置100

表面处理设备200，300

热电子发生器10

空腔103

安装孔104

热电子发生器壁101

电热丝夹头11

电热丝12

进气管13

冷却管道14

陶瓷环15

贯通孔150

电离腔室20

等离子体分布区203

电离腔室壁21

进气通道22

射出通道23

栅极组件24

屏极240

加速栅极242

线圈组25

线圈250

阳极26

水路冷却管260

导电基板301

直流电源204，205，305

第一电阻r1

第二电阻r2

真空腔室303

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1及图2，为本发明第一实施方式提供的一种多通道离子源产生装置100。本发明提供的多通道离子源产生装置100包括热电子发生器10以及与热电子发生器10相连通的电离腔室20。

所述热电子发生器10具有由热电子发生器壁101围设形成的空腔103。所述热电子发生器10还包括有电热丝夹头11、与电热丝夹头11固定的电热丝12、用于通入放电气体的进气管13、冷却管道14以及陶瓷环15。

所述电热丝12通过电热丝夹头11夹设以使其位于所述空腔103。电热丝12的材料可以是钨丝、钽丝或其他耐高温材料。电热丝12在被通电加热为红热状态时，可激发出热电子。所述热电子在电场的作用下能透过空腔103进入电离腔室20。所述空腔103一般会被抽成真空状态，这样，电热丝12所产生的热电子在穿过所述空腔103的过程中，就不会发生与气体分子的撞击，进而不会有不必要粒子和等离子体的产生。即，可防止热电子发生器10内产生等离子体。

所述冷却管道14环绕所述热电子发生器10的空腔103内壁设置。所述冷却管道14内通入去离子水，可对热电子发生器10内壁进行充分冷却，延长热电子发生器10的寿命。

所述进气管13为l形状且设置在所述热电子发生器10上方、且位于所述电热丝12的一侧，从而，放电气体能从所述热电子发生器10的上方进入，在热电子发生器10内进行充分反应。放电气体可以为惰性气体，如氦气、氖气、氩气或者氪气等。

所述热电子发生器10与电离腔室20相连接的底壁形成有安装孔104。所述底壁与所述电热丝12相对。所述安装孔104内设置所述陶瓷环15。所述陶瓷环15开设有与贯通孔150，所述贯通孔150与所述电离腔室20相通。陶瓷环15优选为氮化硼陶瓷环，有利于热电子与电离气体充分碰撞，并控制初级电子流失。

所述电离腔室20包括：电离腔室壁21、进气通道22，射出通道23，栅极组件24、线圈组25以及阳极26。

在本实施方式中，所述电离腔室20的截面为圆柱形状，在其它实施方式中，所述电离腔室20的截面可根据具体应用环境设置为长方体形状、正方形等以及各种不规则形状。所述电离腔室20包括顶端以及与顶端相背的底端。所述热电子发生器10设置在所述电离腔室20的顶端。所述电离腔室20与所述贯通孔150相通以确保热电子发生器10产生的热电子进入所述电离腔室20内。

所述电离腔室20侧壁设置有多个独立的进气通道22以及与进气通道22一一相对的射出通道23。所述进气通道22与所述射出通道23在电离腔室20的电离腔室壁21均是等间距设置。进气通道22通入工作气体，射出通道23用于出射离子源。可通过控制进气通道22的气体流量调控射出通道23的离子源流量。

每个所述射出通道23均设置有栅极组件24。每个所述栅极组件24可被独立控制，每个栅极组件24包括沿第一方向间隔设置的加速栅极242以及沿第二方向设置的屏极240，其中所述第一方向与第二方向垂直。请参阅图3，栅极组件24在用于导引离子源时会被施以偏压，以用于产生离子源的拨出电压。

所述电离腔室20侧壁还绕设有线圈组25。所述线圈组25包括多个间隔设置的线圈250，多个所述线圈250环绕所述电离腔室20侧壁等距设置。具体地，所述每个线圈250是设置在每两个相邻的进气通道22(射出通道23)之间。线圈250的匝数可以依实际需要而设置，在本实施方式中，线圈250的匝数可以为800匝。

在热电子发生器10内，热电子与工作气体碰撞电离产生阳离子和电子，其中一小部分电子被热电子发生器壁101吸收，大部分电子在磁场的会聚作用下，能经所述陶瓷环15进入所述电离腔室20。

所述电离腔室20内靠近底端的位置设置有阳极26。阳极26的位置极大程度上延长了电热丝12发射的电子从热电子发生器发射口到阳极26的加速距离，增加了电子与电离腔室20内工作气体原子碰撞的频率，从而增加了气体的离化率。也即阳极26设置于电离腔室20的底部，其产生的纵向电场分量可持续为电离腔室20中的电子补充能量。

在本实施方式中，所述阳极26呈u型形状，所述阳极26的开口正对所述电离腔室20的所述顶端设置。所述阳极26内部设置有水路冷却管260，所述水路冷却管260内可通入去离子水。所述去离子水可带走阳极26表面由电子轰击产生的热量，对阳极26进行冷却。

所述电离腔室壁21与所述热电子发生器壁101分别串联有第一电阻r1及第二电阻r2。

请参阅图4，为一较佳实施例提供的一种表面处理设备200。所述表面处理设备200包括所述多通道离子源产生装置100、直流电源204、直流电源205以及第一电阻r1、第二电阻r2。

直流电源204的两端分别连接电热丝12以及阳极26。第一电阻r1的两端分别连接热电子发生器壁101以及直流电源204，第二电阻r2的两端分别连接电离腔室壁21以及直流电源204。

所述屏极240被施以0～+2000v范围内的正偏压，所述加速栅极被施以-1500v～0v范围内的负偏压。

所述线圈组25包括的多个线圈250并联后接入直流电源205，也即利用同一个直流电源205分别为每个独立的线圈250供电。线圈组25通电后会在电离腔室20内产生纵向的约束磁场。在其它实施方式中，可以使每个线圈250分别接入一个独立的直流电源。

所述电离腔室壁21接入的是正偏压。电离腔室壁21内的“+”代表电位。

直流电源204主要是为电热丝12提供电能，使电热丝12能产生足够的电子；正(负)偏压是主要是控制离子源的轰击工件表面的能量。

且在图4中，水平箭头代表工作气体，工作气体会从所述进气通道22中通入。

所述表面处理设备200主要用于工件的大面积均匀清洗、蚀刻或辅助沉积。所述表面处理设备200的工作原理是：在热电子发生器10内，热电子发生器10产生的热电子与放电气体碰撞电离产生阳离子和电子，其中一小部分电子被热电子发生器壁101吸收，大部分电子在热电子发生器10内设置的磁场的会聚作用下，能经所述陶瓷环15进入所述电离腔室20。

所述阳极26被设置在所述电离腔室20的底部，接入直流电源后，电离腔室20中会产生一个纵向电场，从热电子发生器10中流入的电子会在纵向电场作用下向下持续加速运动。电离腔室壁21接入正偏压(图未示)，从而在电离腔室20内还会产生一个水平方向上的电场，水平方向上的电场给电子一个横向的加速度，与每个进气通道22通入的工作气体充分碰撞，并控制初级电子流失。

纵向的约束磁场与水平电场耦合后感应出的霍尔电流，继续离化电离腔室20内的工作气体。进气通道22等距分布在电离腔室20的一侧，持续向电离腔室20内通入工作气体，这些工作气体在霍尔电流的作用下，持续电离出阳离子和电子。其中，等离子体分布区203中展示了单个电子的运动路径，也即单个电子在电离腔室20内是呈螺旋方式运动。从热电子发生器10产生的热电子在所述霍尔电流作用下与工作气体碰撞产生阳离子与电子。电子则在正交电磁场和竖直电场的作用下加速运动形成新的霍尔电流。霍尔电流充斥在整个电离腔室20内，即阳离子和电子充斥在整个电离腔室20内。

所述阳离子在栅极组件24的作用下从所述射出通道23出射。具体地，加速栅极242以及屏极240之间附加有拔出电压，能够加速并导出阳离子，出射的阳离子能量可由拔出电压调节。每个栅极组件24两端的拔出电压可由同一个电源提供，也可以由独立的电源分别提供，以调节不同出射位置的离子能量。

在本实施方式中，所述电热丝12、直流电源204、第一电阻r1及所述热电子发生器壁101由连接形成一个回路；所述电离腔室壁21、第二电阻r2和所述阳极26之间由所述直流电源204连接形成另外一个回路。通过改变串联的第一电阻r1及第二电阻r2阻值的大小，可调节霍尔电流大小并控制电子在热电子发生器壁101以及电离腔室壁21上的流失。由于串联电阻的存在，电流会优选通过未串联电阻的阳极26，从而通过阳极26的电流远大于通过热电子发生器壁101和电离腔室壁21的电流，也就抑制了到达热电子发生器壁101和电离腔室壁21的电子数目，使大量电子经由阳极26吸收，延长了电子在电离腔室20内的运动路径，可以对工作气体进行充分电离。

由于电离腔室壁21上设置了多个射出通道23，每个射出通道23内设置一个所述栅极组件24，每个所述栅极组件24用于引出阳离子并加速，使阳离子具有足够的能量从所述射出通道23出射至工件表面，由于每个射出通道23均能出射阳离子，也即可以同时引出多束阳离子进行工作，从而能满足工件的大范围处理的要求。

请参阅图5-6，表面处理设备300包括多通道离子源产生装置100、直流电源204以及导电基板301。所述表面处理设备200主要用于工件的加热。导电基板301可以是工件，当工件不导电时，是直接将工件设置在导电基板301表面。且导电基板301是位于真空腔室303内。

具体地，在本实施方式中，阳极26及栅极组件24均不起作用，也均未接入电路，可以忽略。

在本实施方式中，在直流电源204、热电子发生器壁101、电离腔室壁21、以及导电基板301之间存在三条回路。

第一条电流回路：从直流电源204出发、经过电热丝12、电热丝12产生的电子作为载流子、至导电基板301，然后至所述直流电源201。

第二条电流回路：从直流电源204出发、经过第一电阻r1、热电子发生器壁101、以及电热丝12产生的电子作为载流子、至导电基板301，然后至所述直流电源201。

第三条电流回路：从直流电源204出发、经过第二电阻r2、电离腔室壁21、以及电热丝12产生的电子作为载流子、至导电基板301，然后至所述直流电源201。

第一条回路主要是使电子到达导电基板301，使电子用于对导电基板301进行表面处理。第二条回路及第三条回路主要是减少电子在热电子发生器壁101及电离腔室壁21上的损耗。也即通过改变串联的第一电阻r1及第二电阻r2阻值的大小，可调节霍尔电流大小并控制电子在热电子发生器壁101以及电离腔室壁21上的流失。

在本实施方式中，线圈组25包括的多个间隔设置的线圈250是分别接入直流电源305，每个直流电源305能被独立控制，控制直流电源305可以使线圈250周期性接入电路，从而产生周期性的磁场。周期性的磁场包括沿竖直方向上的磁场以及水平方向上的磁场。竖直方向上的磁场分布可以感应出霍尔电流，水平方向上的磁场分布用于导引电子从所述射出通道23出射。

在本实施方式中，从热电子发生器10产生的电子流沿竖直方向运动、然后再在周期性磁场的作用下从射出通道23入射至导电基板301。图6中弧线表示磁力线b，也就是代表在不同的时间段，使不同的线圈250接入电路以使线圈250产生的磁场的位置岁时间发生变化，使电子周期性地从各个射出通道23出射。

进气通道22仍然是持续性地通入工作气体，电离腔室壁21接入负偏压。负偏压能限制电子在热电子发生器壁101和电离腔室壁21流失。从而使尽可能多的电子周期性地从各个射出通道23处引出从而轰击到导电基板301上，电子的能量能更加集中，能实现对工件大面积并且均匀加热的效果。

综上所述，本发明提供的多通道离子源产生装置100由于在电离腔室壁21设置有多个独立的进气通道22以及与进气通道22一一对应的射出通道23，从而经所述热电子发生器10产生的热电子或者经所述电离腔室产生的离子在电场及磁场的作用下能经多个所述射出通道23射出，也即增加了离子源的射出通道，可以同时引出多束离子源进行工作，从而，增加了离子源与工件的接触面积，能满足工件的大面积处理需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。