專利名稱：一種金屬離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子源，屬于離子束材料表面改性技術(shù)；特別涉及能夠提高高密度金屬元素離子的金屬離子源。
背景技術(shù)：
離子注入技術(shù)被廣泛應(yīng)用于材料表面改性研究，以及微電子器件的制作中，因此離子注入技術(shù)是非常重要的一種應(yīng)用技術(shù)。離子注入技術(shù)的核心部件是產(chǎn)生離子的離子源。當(dāng)離子源產(chǎn)生的各種離子通過電場時獲得高能量，然后將這些高能量離子注入到樣品中，使樣品表面形成新的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到材料表面改性和新器件的形成等目的。
獲取不同注入元素的離子源有很多種。最常用的等離子體離子源是將輸入到離子源中的氣體分子電離，在離子源的放電室內(nèi)形成等離子體，然后在一定電壓的作用下可引出帶正電荷的離子，將引出的離子通過質(zhì)量分析器，便可獲得所需的元素離子。這種離子源也被稱為氣體離子源。在氣體離子源中，獲取的金屬元素離子的數(shù)量取決于該金屬元素在被電離氣體內(nèi)的含量，因為金屬元素在氣體中的含量較低，所以應(yīng)用這種源獲取足夠數(shù)量的氣體元素離子比較容易，而要獲取足夠數(shù)量的金屬元素較困難，這是由于一般化合物氣體中的金屬元素所占比例都不高。因此，使用這種離子源產(chǎn)生的金屬離子的數(shù)量不能滿足注入改性的需求。當(dāng)希望產(chǎn)生較大束流金屬元素時，可以利用金屬陰極，通過電弧放電或金屬加熱蒸發(fā)等方式來產(chǎn)生大量的金屬元素。但這兩種結(jié)構(gòu)形式都不能做氣體離子源使用。
現(xiàn)有的產(chǎn)品冷陰極離子源是一個氣體離子源，其依靠潘寧放電形式獲得等離子體，其結(jié)構(gòu)為兩個相對放置的陰極和一個陽極組成，陽極為一個圓筒狀，陰極為兩個片狀電極結(jié)構(gòu)，位于陽極筒兩端上下相對放置，其中的一個陰極中間開孔，用于引出離子束流，陽極外加有永久磁鐵軸向放置，電子在陰極與陽極之間形成的電場中得到加速，在兩個陰極間來回振蕩，并在磁場的作用下，形成螺旋運動，增加電子與分子的碰撞幾率，提高電離度。當(dāng)氣體輸入陽極和陰極構(gòu)成的放電室后，產(chǎn)生放電形成等離子體，因此只能產(chǎn)生氣體離子，如果需要金屬元素原子，則選擇含有的金屬原子的化合物氣體，氣體電離后，將引出的離子通過濾質(zhì)器處理后，可以得到所需的離子，但含量較低，效率低，引出離子流小，不能滿足材料改性的要求。因此需要對其結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生離子的機理進(jìn)行改進(jìn)，引進(jìn)新的設(shè)計方法。
一般的冷陰極氣體放電離子源在工作過程中，依靠陰極材料發(fā)射的電子對氣體分子進(jìn)行電離，而當(dāng)電離后的離子運動到陰極表面時，會產(chǎn)生濺射作用，這種濺射作用往往會損壞陰極表面，破壞放電空間的條件，使離子源的效率和工作特性發(fā)生變化，影響離子源的使用壽命，因此為了延長離子源的使用壽命，設(shè)計一定的磁場約束離子碰撞陰極，盡量減少陰極材料的濺射。
如果利用這個濺射原理實現(xiàn)產(chǎn)生金屬離子的目的，可以制成濺射式離子源。以往的濺射離子源都是針對某種離子而設(shè)計的，濺射產(chǎn)額不大。現(xiàn)在用戶提出的要求是一種源可以產(chǎn)生氣體、金屬等多種元素離子，需要較大的產(chǎn)額來滿足離子注入改性的需要，傳統(tǒng)的設(shè)計方法就不能滿足要求，因此需要設(shè)計新型結(jié)構(gòu)的離子源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既可以產(chǎn)生金屬離子，又可以產(chǎn)生氣體離子，使用起來方便、簡單，能大大提高使用效率的金屬離子源。
一種金屬離子源，包括底座，在底座上固定有進(jìn)氣嘴，進(jìn)氣嘴上連接有陰極，陰極固定在底座上，陰極上設(shè)置有可與進(jìn)氣嘴相通的通氣孔，陰極上面連接有陽極，在陽極外設(shè)置有磁鐵，磁鐵上端通過安裝板固定，安裝板固定在安裝筒上，安裝筒套裝在磁鐵外，磁鐵下端和安裝筒固定于底座上，在安裝筒上安裝有引出柵，引出柵位于陽極的上面，并絕緣隔離，引出柵中間設(shè)置有引出孔，在引出柵上方套裝有中間電極和加速電極，并用絕緣層絕緣，中間電極與加速電極固定在安裝筒上，其在陰極上增加輔助陰極，輔助陰極突出在陽極區(qū)內(nèi)，并與陽極構(gòu)成一個放電室，在輔助陰極下方設(shè)置環(huán)形磁鐵和磁鐵，磁鐵置在環(huán)形磁鐵內(nèi)，兩磁鐵連接在陰極上。
磁鐵為中間圓柱狀磁鐵，環(huán)形磁鐵為外置圓柱狀磁鐵。
所述輔助陰極是采用需要離子化的金屬柱體。
輔助陰極與兩磁鐵構(gòu)成了磁控濺射源。
所述陽極為筒狀結(jié)構(gòu)或方形結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出應(yīng)用濺射的基本原理，增加輔助陰極的方法。裝置中，將輔助陰極和原有的陰極相連，且突出在陽極區(qū)內(nèi)，輔助陰極采用需要的金屬元素材料制成，當(dāng)需要某種金屬元素時，安裝上用該材料制備的輔助陰極和磁鐵，構(gòu)成磁控濺射源，該輔助陰極即增大了金屬元素的濺射產(chǎn)額，又保護(hù)了原有陰極不被損壞，延長了離子源的使用壽命，使用也非常方便。當(dāng)需要采用氣體離子時，將輔助陰極下方設(shè)置環(huán)形磁鐵和磁鐵去掉即可。利用該源既可獲取氣體元素離子又可獲取不同高密度金屬元素離子，可以利用一個離子源滿足多種元素離子的注入需要。


附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
附圖是本發(fā)明的具體實施例；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步說明參照附圖所示，一種金屬離子源，包括底座9，在底座9上固定有進(jìn)氣嘴5，進(jìn)氣嘴5上連接有陰極3，陰極3固定在底座9上，陰極3上設(shè)置有可與進(jìn)氣嘴5相通的通氣孔，陰極3上面連接有陽極8，在陽極8外設(shè)置有磁鐵10，磁鐵10上端通過安裝板11固定，安裝板11固定在安裝筒12上，安裝筒12套裝在磁鐵10外，磁鐵10下端和安裝筒12固定于底座9上，在安裝筒12上安裝有引出柵13，引出柵13位于陽極8的上面，并絕緣隔離，引出柵13中間設(shè)置有引出孔，在引出柵13上方套裝有中間電極16和加速電極17，并用絕緣層絕緣，中間電極16與加速電極17固定在安裝筒12上，在陰極3上增加輔助陰極6，輔助陰極6突出在陽極區(qū)內(nèi)，并與陽極8構(gòu)成一個放電室，在輔助陰極6下方設(shè)置環(huán)形磁鐵2和磁鐵4，磁鐵4置在環(huán)形磁鐵2內(nèi)，環(huán)形磁鐵2和磁鐵4均連接在陰極3上。磁鐵4為中間圓柱狀磁鐵，環(huán)形磁鐵2為外置圓柱狀磁鐵。輔助陰極6采用需要離子化的金屬柱體。輔助陰極6與環(huán)形磁鐵2和磁鐵4構(gòu)成了磁控濺射源。陽極8為筒狀結(jié)構(gòu)或方形結(jié)構(gòu)。14、15為固定法蘭。
陽極電位通過接線柱1接入，陰極電位通過接線柱7接入。
由于本發(fā)明的裝置中，一部分是普通離子源的陰極，另一部分是需要離子化的金屬的柱體，稱為輔助陰極，將輔助陰極6突出在陽極區(qū)，并在其底部加有供磁控濺射的磁鐵，由于加有磁控濺射結(jié)構(gòu)，陰極具有足夠大的表面積產(chǎn)生濺射離子，當(dāng)不需要金屬離子時，將輔助陰極6下的磁鐵2和磁鐵4去掉，普通陰極的作用是在電場作用下產(chǎn)生自由電子，直至達(dá)到自持放電。當(dāng)需要金屬離子時，放入磁鐵，當(dāng)源達(dá)到自持放電狀態(tài)后，繼續(xù)增加放電電流，就會產(chǎn)生陰極磁控濺射。要濺射的金屬柱體伸入陽極區(qū)，成為陰極的一個鞘層，正離子大部分轟擊在鞘層上，通過增加正離子的能量，便可以將難熔金屬濺射出來。使用時根據(jù)需要濺射的離子元素不同，只更換不同材料的輔助濺射陰極即可，不需要對離子源進(jìn)行大量的部件更換。所以本發(fā)明可使一種離子源起到多種離子源的作用，且在產(chǎn)生難溶金屬元素的同時還保證了離子源的使用壽命，使用非常方便。
當(dāng)需要氣體元素時，首先抽系統(tǒng)真空到10-3P，然后，向放電室內(nèi)充入所需氣體，到10-1P，這時，在陽極8與陰極3之間加700伏電壓，使得氣體在放電室內(nèi)產(chǎn)生放電，形成等離子體，這時，在引出極加3000-30000伏引出電壓，使離子從放電室內(nèi)等離子體中通過引出柵13孔引出。
當(dāng)需要金屬元素時，將輔助陰極6放入，抽系統(tǒng)真空到10-3P，然后，通過進(jìn)氣嘴4向放電室內(nèi)充入氬氣，至10-1P，這時在陽極8與陰極6之間加800-1000伏電壓，使放電室內(nèi)氣體放電，形成等離子體，由于陽極8與陰極6之間加有近一千伏電壓，等離子體中大量的離子高速打在陰極6表面，與陽極6表面碰撞，當(dāng)被碰撞的表面原子具有能量大于逸出能時，產(chǎn)生濺射現(xiàn)象，被濺射出的金屬原子被電離補充到等離子體中，這時，在引出柵加3000-30000伏電壓，等離子體中的金屬元素離子束流可以被引出。通過中間電極16和加速電極17聚焦成束。
引出柵13中間有一個引出口徑為3mm的引出孔，用來引出離子束，與陰極3同電位，可以產(chǎn)生鐵、銅、鉬、鋯、氮、氬等十余種元素離子，產(chǎn)生的鋯離子，通過分析器后測量可達(dá)20微安，鉬離子可達(dá)30微安，氮離子達(dá)500微安。陽極筒6外安裝條形永久磁鐵10，用于延長電子路徑，提高放電幾率；在陰極3表面上安裝一個用于產(chǎn)生濺射離子的金屬材料制成的輔助陰極6，輔助陰極6固定在陰極表面，并與陰極同電位，輔助陰極突出在陽極筒內(nèi)，在輔助陰極6下方設(shè)置環(huán)形磁鐵2和磁鐵4，為了提高濺射產(chǎn)額。該輔助陰極即增大了濺射面積、增加金屬元素產(chǎn)額，又保護(hù)了原有陰極不被損壞，延長了離子源的使用壽命，使用也非常方便。
權(quán)利要求
1.一種金屬離子源，包括底座(9)，在底座(9)上固定有進(jìn)氣嘴(5)，進(jìn)氣嘴(5)上連接有陰極(3)，陰極(3)固定在底座(9)上，陰極(3)上設(shè)置有可與進(jìn)氣嘴(5)相通的通氣孔，陰極(3)上面連接有陽極(8)，在陽極(8)外設(shè)置有磁鐵(10)，磁鐵(10)上端通過安裝板(11)固定，安裝板(11)固定在安裝筒(12)上，安裝筒(12)套裝在磁鐵(10)外，磁鐵(10)下端和安裝筒(12)固定于底座(9)上，在安裝筒(12)上安裝有引出柵(13)，引出柵(13)位于陽極(8)的上面，并絕緣隔離，引出柵(13)中間設(shè)置有引出孔，在引出柵(13)上方套裝有中間電極(16)和加速電極(17)，并用絕緣層絕緣，中間電極(16)與加速電極(17)固定在安裝筒(12)上，其特征在于，在陰極(3)上增加輔助陰極(6)，輔助陰極(6)突出在陽極區(qū)內(nèi)，并與陽極(8)構(gòu)成一個放電室，在輔助陰極(6)下方設(shè)置環(huán)形磁鐵(2)和磁鐵(4)，磁鐵(4)置在環(huán)形磁鐵(2)內(nèi)，環(huán)形磁鐵(2)和磁鐵(4)連接在陰極(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬離子源，其特征在于，磁鐵(4)為中間圓柱狀磁鐵，環(huán)形磁鐵(2)為外置圓柱狀磁鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬離子源，其特征在于，輔助陰極(6)采用需要離子化的金屬柱體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬離子源，其特征在于，輔助陰極(6)與環(huán)形磁鐵(2)和磁鐵(4)構(gòu)成了磁控濺射源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬離子源，其特征在于，陽極(8)為筒狀結(jié)構(gòu)或方形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬離子源，能夠提高高密度金屬元素離子的金屬離子源。本發(fā)明在裝置的陰極上增加輔助陰極，輔助陰極突出在陽極區(qū)內(nèi)，并與陽極構(gòu)成一個放電室，在輔助陰極下方設(shè)置環(huán)形磁鐵和磁鐵，磁鐵置在環(huán)形磁鐵內(nèi)，兩磁鐵連接在陰極上。輔助陰極采用需要的金屬元素材料制成，當(dāng)需要某種金屬元素時，安裝上用該材料制備的輔助陰極和磁鐵，構(gòu)成磁控濺射源，該輔助陰極即增大了金屬元素的濺射產(chǎn)額，保護(hù)了原有陰極不被損壞，延長離子源的使用壽命，使用非常方便。當(dāng)需要采用氣體離子時，將輔助陰極下方設(shè)置環(huán)形磁鐵和磁鐵去掉即可。利用該源既可獲取氣體元素離子又可獲取不同高密度金屬元素離子，可以利用一個離子源滿足多種元素離子的注入需要。
文檔編號C23C14/48GK1594649SQ20041002630
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
發(fā)明者趙玉清, 沈伯禮, 趙鑫, 朱克志, 李冬梅 申請人:西安交通大學(xué)