一种基于射频放电的正负离子源

摘要

本发明公开了一种基于射频放电的正负离子源，包括管体，管体中部连通有进气管；管体上缠绕有放电线圈，放电线圈依次与匹配网络和射频电源电连接；管体的一端与第一盖板密封连接，第一盖板通过绝缘介质连接有正离子引出栅极；正离子引出栅极与直流电源的负极电连接；管体的另一端与第二盖板密封连接，第二盖板通过侧壁与第三盖板密封连接，第三盖板通过绝缘介质连接有负离子引出栅极；负离子引出栅极与直流电源的正极电连接。本发明可以使正离子与电子及负离子可以被同时分别引出，解决了背板溅射出的粒子污染离子源及背板发热严重的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及离子源发生设备技术领域，特别是涉及一种基于射频放电的正负离子源。

背景技术

离子源的应用非常广泛，如固体表面注入、微细加工、材料的表面改性、中性束注入等方面都有着很好的应用，而且在许多基础研究领域如原子物理、等离子体化学、核物理、材料改性等研究中，离子源都是不可缺少的设备。离子源中引出的离子束已经成为高能物理、微电子、光电子、冶金、航空航天、医疗仪器、机械制造、核聚变加热等领域中不可缺少的加工工艺和制造途径。

对于传统的离子源发生设备而言，单纯的正离子源或者负离子源引出时，会遇到相反带电粒子的反流问题，带电粒子的反流会导致等离子体产生区中与引出栅极相对的背板被溅射或者热量过高。如：正离子源引出栅极施加负直流电压，引出正离子的同时排斥电子和负离子，电子和负离子被加速到高能量穿过等离子体产生区达到背板上，使得背板被加热和溅射。同样负离子源引出栅极施加正直流电压，引出负离子和电子的同时排斥正离子，正离子被加速到高能量穿过等离子体产生区达到背板上，使得背板被溅射和加热。长时间被溅射和加热的背板不仅使用寿命会大大缩短，溅射出来的背板粒子还会污染等离子体，甚至污染离子源。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于射频放电的正负离子源，以解决上述现有技术存在的问题，使正离子与电子及负离子可以被同时分别引出，从而解决背板溅射出的粒子污染离子源及背板发热严重的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种基于射频放电的正负离子源，包括管体，所述管体中部连通有进气管；所述管体上缠绕有放电线圈，所述放电线圈依次与匹配网络和射频电源电连接；所述管体的一端与第一盖板密封连接，所述第一盖板通过绝缘介质连接有正离子引出栅极；所述正离子引出栅极与直流电源的负极电连接；所述管体的另一端与第二盖板密封连接，所述第二盖板通过侧壁与第三盖板密封连接，所述第三盖板通过绝缘介质连接有负离子引出栅极；所述负离子引出栅极与直流电源的正极电连接。

优选地，所述正离子引出栅极包括从内至外依次设置的第一正离子引出栅极和第二正离子引出栅极，所述第一正离子引出栅极和所述第二正离子引出栅极分别与一直流电源的负极电连接，所述第二正离子引出栅极的负电压高于所述第一正离子引出栅极的负电压。

优选地，与所述第一正离子引出栅极和所述第二正离子引出栅极电连接的直流电源的正极接地。

优选地，所述负离子引出栅极包括从内至外依次设置的第一负离子引出栅极和第二负离子引出栅极，所述第一负离子引出栅极和所述第二负离子引出栅极分别与一直流电源的正极电连接，所述第二负离子引出栅极的正电压高于所述第一负离子引出栅极的正电压。

优选地，与所述第一负离子引出栅极和所述第二负离子引出栅极电连接的直流电源的负极接地。

优选地，所述匹配网络通过第一同轴传输线与所述放电线圈的一端电连接，所述第一同轴传输线的中部接地，所述匹配网络通过第二同轴传输线与所述放电线圈的另一端电连接。

优选地，所述第二盖板上设有用于连接真空计和/或检测系统的法兰接口。

优选地，所述放电线圈外侧套设有屏蔽罩，所述屏蔽罩接地。

优选地，还包括支撑台和支撑架，所述支撑台通过所述支撑架连接所述绝缘介质和所述侧壁。

优选地，还包括真空系统，所述第一盖板和所述第三盖板分别连通有一真空系统。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

射频电源输出射频功率，射频功率经过匹配网络输入到放电线圈上，射频功率经过放电线圈产生电磁场，电磁场电离管体内的工作气体，产生等离子体。产生等离子体之后，在正离子引出侧的正离子引出栅极上施加负直流电压，就会引出正离子束；同时在负离子引出侧的负离子引出栅极上施加正直流电压，就会引出电子或负离子束。电子或负离子束从管体内运动到第二盖板和第三盖板之间时，经过一定距离的传输，使得高能电子的能量下降，形成更多的低能电子被电负性中性原子或者分子吸附，产生更多的负离子，从而产生高密度的负离子，以更方便引出。本发明通过在管体的两侧分别引出正离子与电子及负离子，去除了背板，解决了单纯正离子和负离子引出时背板被溅射和发热严重的问题，同时正离子与电子及负离子构成的离子源也不会被溅射污染了。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于射频放电的正负离子源的结构示意图；

其中：1-管体，2-进气管，3-放电线圈，4-匹配网络，5-射频电源，6-第一盖板，7-绝缘介质，8-直流电源，9-第二盖板，10-侧壁，11-第三盖板，12-第一正离子引出栅极，13-第二正离子引出栅极，14-第一负离子引出栅极，15-第二负离子引出栅极，16-第一同轴传输线，17-第二同轴传输线，18-法兰接口，19-屏蔽罩，20-支撑台，21-支撑架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

本发明的目的是提供一种基于射频放电的正负离子源，以解决上述现有技术存在的问题，使正离子与电子及负离子可以被同时分别引出，从而解决背板溅射出的粒子污染离子源及背板发热严重的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示：本实施例提供了一种基于射频放电的正负离子源，包括管体1，管体1的材料优选为石英，管体1中部连通有进气管2。管体1上缠绕有放电线圈3，放电线圈3一般用铜管绕在管体1上即可，放电线圈3至少为1匝，优选为5-10匝，铜管内可施加冷却液进行冷却。放电线圈3的外侧套设有屏蔽罩19，屏蔽罩19需接地，屏蔽罩19的材料优选为铝。放电线圈3依次与匹配网络4和射频电源5电连接，匹配网络4的输入端和射频电源5的输出端通过同轴传输线电连接，匹配网络4的输出端通过第一同轴传输线16与放电线圈3的一端电连接，第一同轴传输线16的中部接地，匹配网络4的输出端还通过第二同轴传输线17与放电线圈3的另一端电连接。匹配网络4用于调制放电线圈3的阻抗特性，使得射频功率被等离子体吸收最大化。

管体1的一端与第一盖板6密封连接，密封结构优选为活螺母或法兰。第一盖板6通过绝缘介质7(绝缘介质的材料优选为陶瓷)连接有正离子引出栅极；正离子引出栅极包括从内至外依次设置的第一正离子引出栅极12和第二正离子引出栅极13，第一正离子引出栅极12和第二正离子引出栅极13分别与一直流电源8的负极电连接，与第一正离子引出栅极12和第二正离子引出栅极13电连接的直流电源8的正极接地。该直流电源8用于给第一正离子引出栅极12和第二正离子引出栅极13提供负电压，且第二正离子引出栅极13的负电压高于第一正离子引出栅极12的负电压。

管体1的另一端与第二盖板9密封连接，密封结构优选为活螺母或法兰。第二盖板9上设有用于连接真空计、检测系统或实验测试系统的法兰接口18。第二盖板9通过侧壁10与第三盖板11密封连接，第二盖板9、侧壁10和第三盖板11优选焊接连接，第三盖板11通过绝缘介质7连接有负离子引出栅极；负离子引出栅极包括从内至外依次设置的第一负离子引出栅极14和第二负离子引出栅极15，第一负离子引出栅极14和第二负离子引出栅极15分别与一直流电源8的正极电连接，与第一负离子引出栅极14和第二负离子引出栅极15电连接的直流电源8的负极接地。该直流电源8用于给第一负离子引出栅极14和第二负离子引出栅极15提供正电压，且第二负离子引出栅极15的正电压高于第一负离子引出栅极14的正电压。

第一盖板6、第二盖板9、第三盖板11和侧壁10的材料优选为金属材料，如不锈钢。

本实施例的基于射频放电的正负离子源还包括支撑台20和支撑架21，支撑台20水平设置，支撑架21竖直设置，支撑台20通过支撑架21支撑着绝缘介质7和侧壁10，使管体1呈水平状态。

正离子引出栅极、第一盖板6、管体1、第二盖板9、侧壁10、第三盖板11、负离子引出栅极和绝缘介质7构成了本实施例的真空腔体，第一盖板6和第三盖板11在工作时应分别与一真空系统连通。

本实施例的工作过程为：

1)真空腔体抽本底真空，使气压不高于10^-4Pa；

2)从进气管2通入适量的工作气体，(如Ar、N₂、O₂、CF₄、H₂、D₂、SF₆等)并开启两侧的真空系统，使得真空腔室内的气压可在0.1～100Pa之间维持气压的动态平衡，并且保持气压不变；

3)射频电源5输出射频功率，可选为13.56MHz的0～1000W内的射频功率，射频功率经过匹配网络4输入到放电线圈3上，射频功率经过放电线圈3产生电磁场，电磁场电离管体1内的工作气体，产生等离子体；

4)产生等离子体之后，在正离子引出栅极上施加负直流电压，就可以引出正离子束；同时在负离子引出栅极上施加正直流电压，就可以引出电子或负离子束(只有工作气体是电负性气体时才能产生相应的负离子进行引出，如O₂、H₂、D₂、CF₄、SF₆等)。

本实施例通过在管体1的两侧分别引出正离子与电子及负离子，去除了背板这一部件，从而解决了单纯正离子和负离子引出时背板会被溅射和发热严重的问题，同时正离子与电子及负离子构成的离子源也不会被溅射污染了，离子源更为“洁净”了。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。