[实用新型]霍尔型离子源

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种离子束产生装置。尤其涉及一种霍尔型离子源，其在真空环境下，通入气体获得低能大束流的离子束，适用于工业离子束辅助沉积镀膜工艺。

背景技术

离子源早期被研究用于空间推进之用，目前已用于真空镀膜离子束辅助沉积(IAD)过程。在离子束辅助镀膜过程中，离子源发射出的离子束投射到基片上，对薄膜表面进行轰击，使得沉积薄膜的密度增加，改善薄膜的生长模式，其工作范围在10^-2Pa数量级。

美国专利4862032介绍了一种端霍尔离子源(End-Hall Ion Source)。离子源典型工作原理为：阴极灯丝被加热发射热电子，在电场作用下，电子由阴极向阳极迁移，电子与中性原子或分子发生碰撞使其离化，离子在电场作用下，向阴极发射，与此同时，正离子吸引阴极灯丝发射的部分热电子，从而形成等离子体。在这种典型无栅离子源中，在阴极区域施加磁场，进一步提高电子与中性原子或分子的碰撞几率，提高离化率，即提高离子源的工作效率，发射出高束流等离子体。

图1示出了美国专利4862032描述的端霍尔离子源的外观及内部结构。此种端霍尔离子源由阳极2、阴极灯丝3、气路4，5、磁路6，7，8，9等主要部分组成。

图2为端霍尔离子源工作原理。当离子源工作时，首先将阴极灯丝3加热至热电子发射温度，然后由气路5向放电区域馈入可离化的中性气体(如氩气，或氧气等)。再给阳极2，10施以正电位。阴极3发射的热电子在电场作用下向阳极迁移。由于受到磁场的作用，围绕磁力线做螺旋运动，逐渐向阳极迁移。由此增加了电子与中性气体原子或分子的碰撞几率，提高气体原子或分子的高化率。端霍尔离子源的磁场是由离子源中心下部的永久磁体或电磁体6产生，并与外壳8构成磁路，在放电区内，磁力线分布呈圆锥状。电子将中性原子或离子离化产生新的离子和电子，电子继续向阳极迁移，离子则在电场作用下向阴极发射，由于空间电荷的相互吸引，离子则吸引部分由阴极灯丝产生的电子，形成等离子体束，向离子源的上方发射。

由于电子受到磁力线的约束，在上述结构的端霍尔离子源工作时，阳极底部10接收到绝大部分电子，受到大束流高强度电子轰击的阴极会急剧升温，为此该种霍尔离子源的底部采用了M₀或W等难熔金属材料制做阳极底部(或步气板)，以防止离子源在工作时阳极被烧熔。

但是由于离子源很多情况下是在有反应气体存在时工作，如在镀制SiO₂、TiO_x等薄膜时，膜料将释放出氧原子。同时为了得到标准成份的SiO₂或TiO_x还将向真空室内补充氧气。在这种情况下，高温工作的M₀或W将与氧反应生成氧化物。另外，M₀或W阴极受到电子或负离子的轰击也可以发生刻蚀现象，被刻蚀的M₀、W对薄膜产生污染。

另外，如图1所示，在离子源的内部结构中，除放电区外阳极与阴极之间存在着较大空间，阴阳极之间的距离大于气体辉光放电的暗区距离，当离子源在较高电压下工作时(如大于300V时)，在这些空间中会产生辉光放电，从而导致离子源不能正常工作直至毁坏。

另一方面，上述端霍尔离子源的外壳36相对于阳极处于负电位，当离子源在较高电压工作时，正离子将对外壳的某些部位产生轰击，造成刻蚀现象，从而对薄膜沉积引起污染。由于离子源的外壳36直接接地，与离子源的阳极构成回路，吸收离子束内的正离子减少离子束到达被镀基片的数量，降低离子源的工作效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新的离子源结构，克服上述离子源存在的缺点，如：离子源的寿命问题，即阳极污染问题。在上述结构下，电子轰击下的阳极处于较高温度，被加热的阳极会与真空室内的反应气体反应形成化合物绝缘层。降低了阳极的使用寿命，当阳极被反应刻蚀后，将对薄膜形成严重的污染。绝缘层使来自阴极的电子发散，导致放电区电子数量减少。即阳极表面有效电压减少使放电区电子流量减少，等离子体稳定性差。此外，上述离子源在阴阳极之间的区域会产生辉光放电，从而导致离子源不能正常工作直至毁坏。

为此，本实用新型提供一种离子源，包括阳极，通过固定栓悬浮布置在阳极上方的阴极，以及用于将电、气、冷却介质引入到阳极和阴极中的电、气、冷却介质引入组件，其中由高导热材料制成的所述阳极与所述电、气冷却介质引入组件直接相连，并且，所述阳极表面已采用导电薄膜进行改性。