CN100481306C - 一种用于低能离子束材料制备方法的离子源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离子束技术，是一种可在低能离子束材料制备方法中应用的离子源装置，包括弧室体和坩埚两部分，每部分配有辅助加热装置。弧室体与坩埚成一体且前后分离，之间有排进气孔连通；弧室体内装有上下双螺旋状灯丝，增大了弧室热功率和发射的电子密度，灯丝位于上下两端，减小了离子直接溅射，灯丝后有反射板；坩埚为立式，内筒有两种，反应器型可盛装与工作气体反应的固体源材料，工作气体自上而下通过源材料并与之充分反应，蒸发器型可盛装能蒸发出材料气氛的源材料，可调整辅助加热及灯丝电流来控制源的工作温度。本发明结构简单实用，工作性能稳定、束流品质好、离化效率高、源材料选择范围广、产生离子种类多。可用于其他离子束相关技术。

Description

一种用于低能离子束材料制备方法的离子源装置

技术领域

本发明涉及离子束技术，是一种可在低能离子束材料制备方法中应用的离子源装置，具有结构简单、工作性能稳定、束流品质好、离化效率高、可选择利用的源材料范围广等特点，该装置也适用于其他相关离子束技术。

背景技术

质量分离的低能离子束材料制备方法是一种处于发展中的材料制备新技术，也可简称低能离子束材料制备方法。与已经成熟的其他离子束材料制备方法，如离子溅射、离子注入、离子刻蚀、等离子体沉积等不同，该方法是采用经质量分离的低能材料离子进行材料的生长与制备。可用于难提纯、高熔点及特种功能材料的生长，也可用于材料的高浓度掺杂、浅结杂质注入及溅射刻蚀等。因可选择制备材料范围广，该方法是探索制备新材料的一种强有力的工艺手段。

用于低能离子束材料制备方法的设备系统目前有两种，一是单离子束设备系统，只可用单一离子进行材料的生长或制备，另一种是双离子束设备系统，可利用两种离子进行材料的生长或制备，比如附图2所示中的低能双离子束系统可制备合成双元素的化合物薄膜。无论哪种设备，其离子束装置部分都由如下五部分构成：离子源、磁分析器、电(磁)四极透镜、静电偏转板、减速透镜(详见附图2)。而离子源是低能离子束材料制备系统中最重要的组成部分，用来制备材料的离子由该装置产生，其离化效率、束流品质、产生离子种类以及工作的稳定性决定着低能离子束材料制备系统的工作性能。目前用于低能离子束材料制备系统的离子源主要有两种类型：弗瑞曼(Freeman)型和伯纳斯(Bernus)型。在该技术发展的初期，多采用弗瑞曼(Freeman)型离子源，该型离子源热功率高，可产生离子的种类多，虽可利用高工作温度的固体源材料作为工作物质，但因其阴极灯丝工作时易受离子的直接溅射而很快的消耗变细，灯丝的使用寿命短，因而影响了其工作稳定性，束流品质及离化效率不是很好，也限制了其在低能离子束材料制备技术中的广泛使用。伯纳斯(Bernus)型离子源是另一类型在低能离子束材料制备技术中使用的离子源，其束流品质和工作稳定性优于弗瑞曼(Freeman)型离子源，但原有的伯纳斯(Bernus)型离子源阴极灯丝位于弧室体上端，热功率较小，虽对气体工作物质离化效率很高，但不适宜采用高工作温度的固体源材料作为工作物质，因而可产生的离子种类有限，这制约了其在低能离子束材料制备技术中的广泛使用。如何提高离子源的工作稳定性、离化效率与束流品质，扩展可选择利用的源材料范围，增加可产生的离子种类，仍是目前低能离子束材料制备技术发展所要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服低能离子束材料制备系统原使用的离子源装置的技术不足，提供一种适于低能离子束材料制备方法用的新型离子源装置。

本发明的再一目的是所提供的新型离子源装置，能产生元素周期表中大部分元素的离子，特别是能得到用其他材料制备方法难以制备的高熔点、难提纯材料的离子。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

1、改进原有的伯纳斯(Bernus)型离子源弧室体的结构设计：

改进后的弧室体内上下两端装有两根螺旋状阴极灯丝，两侧有辅助加热装置，灯丝后面还装有反射板。其特点是：

1)阴极灯丝位于弧室体内上下两端，可增加放电室的空间，减少工作时灯丝受离子直接溅射，提高灯丝使用寿命和保持工作状态的稳定；

2)螺旋状双灯丝可增加热阴极发射的原初电子密度，再加上灯丝的后面反射板对电子的反射作用，可以提高离化效率；

3)双灯丝是并联到灯丝加热电源上的，在弧室体内上下两端加热，再加上两侧的辅助加热装置，可使弧室体内工作时的温度场分布均匀，提高了离子源的热功率。

2、改进原有离子源的坩埚结构设计：

坩埚与弧室体设计成一体且分置于前后部，弧室体后壁有排进气孔与弧相通。坩埚采用立式设计，由外壁、内筒、辅助加热装置和测温热偶等几部分构成。坩埚内筒设计成两种形式：

1)反应器型：

该结构内筒上盖有进气孔，下端有筛形气孔与外壁间的空腔相通，可装与反应气体发生化学反应的小碎快固体源材料，比如氧化物或单质金属源材料。工作时，反应气体可从坩埚上盖的进气孔进入，进气孔上有带进气嘴的导管与离子源外装反应气体的容器相通，靠针形阀控制进气的流量，反应气体自上而下通过固体源材料，并携带反应生成的工作气氛，由坩埚内筒底部进入内筒与外壁间的空腔，然后再经坩埚前外壁与弧室体后壁间的一排进气孔进入弧室体内离化出离子；此种设计可保证反应气体与源材料充分反应，提高源材料的利用率。

2)蒸发器型：

该内筒下端封死，上部靠近内筒盖处开有小的出气孔，可蒸发的固体源材料工作物质(如氯化物)装在内筒里。通过调节辅助加热(坩埚加热、弧室加热)及灯丝加热电源的电流，来控制加热温度，温度范围为150~850℃。蒸发出来的源材料工作气氛由上部的小孔进入内筒与外壁间空腔，然后再经坩埚前外壁与弧室体后壁间的进气孔进入弧室体内离化。

坩埚的多功能设计拓展了可利用的源材料工作物质的选择范围，气体、氧化物、氯化物、单质金属或其他固体工作物质都可能在该离子源中产生出离子。

具体说，为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种用于低能离子束材料制备方法的离子源装置，包括弧室体与坩埚两部分，每部分配有辅助加热装置，其弧室体与坩埚成一体且分置于前后部，弧室体后壁有排进气孔与坩埚连通；弧室体内上下两端各装有一根螺旋状灯丝，两灯丝外侧各有一反射板，弧室体前壁的前盖板上有离子引出狭缝；坩埚采用立式，由外壁、内筒和测温热偶构成，外壁与内筒间有空腔，外壁位于内部的部分与弧室体后壁为一体，相连通的排进气孔设于其上。

所述的离子源装置，其螺旋状灯丝由弧室体侧面上下两端的灯丝座安装孔装入弧室体，然后与灯丝座连接固定；灯丝座有上下两套，每套包括长短两支座体，长支座体上安装有反射板，灯丝座与弧室体之间有绝缘陶瓷套。

所述的离子源装置，其所述坩埚内筒，为反应器型坩埚内筒或蒸发器型坩埚内筒。

所述的离子源装置，其所述反应器型坩埚内筒，内筒上盖有进气孔，底部有筛形出气孔，可盛装与工作气体反应的固体源材料，工作气体是自上而下通过源材料并与之充分反应。

所述的离子源装置，其所述蒸发器型坩埚内筒，内筒上部有出气孔，可盛装能蒸发出材料气氛的源材料。

所述的离子源装置，其所述弧室体内的两灯丝是并联接到灯丝加热电源的，弧室体两侧的辅助加热装置的左右两套加热丝是串联接到弧室加热电源上的，坩埚两侧的辅助加热装置的左右两套加热丝也是串联接到坩埚加热电源上的。

所述的离子源装置，可通过调整辅助加热装置的弧室加热电源、坩埚加热电源及灯丝加热电源的电流来控制该离子源装置的工作温度，其工作温度范围为150～850℃。

所述的离子源装置，其所述源材料，为气体、氧化物、氯化物、单质金属的固体工作物质。

本发明的有益效果是：1)离子源的弧室体与坩埚设计成一体且前后分离，结构简单实用；2)工作性能稳定、束流品质好、离化效率高、可产生的离子种类多；3)源材料选择范围广且利用率高，降低了材料制备的成本。4)该发明适用于低能离子束材料制备方法及其他相关离子束技术。

本发明具有结构简单、工作性能稳定、束流品质好、离化效率高、可选择利用的源材料范围广等特点。可产生元素周期表中大部分元素的离子，特别是能得到用其他材料制备方法难以制备的高熔点、难提纯材料的离子。离子源产生的离子种类多，利于发挥低能离子束材料制备方法可广泛探索制备新材料的工艺特点。

附图说明

图1.1本发明离子源装置结构的侧向剖面图；

图1.2本发明离子源装置结构的纵向前剖面图；

图1.3本发明离子源装置结构的横向剖面图；

图1.4本发明离子源装置的坩埚内筒剖面图；

图1.5本发明离子源装置的电路示意图；

图2 低能双离子束材料制备系统示意图。

具体实施方式

本发明的离子源装置结构和电路原理图如图1所示。

该离子源装置，包括弧室体1和坩埚11两部分，每部分配有辅助加热装置：弧室加热装置2、坩埚加热装置12。弧室体1与坩埚11设计成一体且前后分离，之间有排进气孔9连通。弧室体1的内腔也称弧室或真空放电室，弧室内有上下双螺旋状灯丝3(直热式阴极)和反射板4。弧室壁处于阳极电位，也称阳极壁，后壁有排进气孔9与坩埚11相通，前壁的前盖板7上有离子引出狭缝8。双螺旋状灯丝3可由弧室体1侧面上下两端的灯丝座安装孔装入，然后装上灯丝座5固定，灯丝座5有上下两套，每套设计成有长短两支座体，长支座体5-1可安装反射板4，灯丝座5与弧室体1之间有绝缘陶瓷套5-3绝缘。坩埚11位于弧室体1的后面，采用立式设计，由外壁、内筒13、辅助坩埚加热装置12和测温热偶18等几部分构成。坩埚内筒13有两种形式，反应器型坩埚内筒13-1，其上盖有进气孔13-1a，底部有筛形出气孔13-1b，可盛装需与工作气体反应的固体源材料，工作气体是自上而下通过源材料并与之充分反应；蒸发器型坩埚内筒13-2上部有出气孔13-2b，可盛装可蒸发出材料气氛的源材料。通过调整辅助加热电源26、25及灯丝加热电源23的电流来控制离子源的工作温度。

本发明的离子源电源参数见表1，其工作原理与通常的伯纳斯Bernus型离子源工作原理相同。工作时，先通工作气体或调整辅助加热电源26、25及灯丝加热电源23的电流蒸发出材料气氛，工作气体、反应生成或蒸发出的材料气氛由坩埚11进入到弧室(真空放电室)体内，控制进入弧室的进气量，应使离子源弧室外的真空度不大于5×10^-5Torr；然后加源正高压21、弧压24、源附加磁铁电流27，调整灯丝加热电源23、弧室加热电源25、坩埚加热电源26的电流使弧室和坩埚11处于额定的工作温度(该温度因源材料类别不同而不同)；热阴极3(双螺旋状灯丝)内部的自由电子获得足够能量飞出金属表面，发射出的电子称为原初电子，原初电子在源磁场中作加速螺旋渐进运动并获得更大的动量，高能的电子与材料气氛碰撞使其放电离化出带正电的离子，并在弧室(放电室)内形成稳定的等离子体状态；源附加磁铁27的磁场作用可有效地增长电子运动的路径，增加电子和气体原子或分子的碰撞次数。另外，离化产生的离子在磁场中沿着磁力线作螺旋渐进运动，增加了离子在弧室(放电室)内的停留时间，大大增大了等离子体的密度；最后调整聚焦引出极电压22，使离子加速成形，由弧室前盖板7的离子引出狭缝8引出离子束28。本发明离子源装置的工作温度范围为150℃到850℃。

利用低能离子束材料制备方法进行材料的生长与制备过程如下(可参见附图2)：由离子源产生的离子束28是高能的，其能量通常为几十千电子伏特(KeV)；高能离子束经低能离子束材料制备系统的磁分析器(也称质量分析器)的磁场选择分析后，获得所要材料的同位素纯的高能离子束；同位素纯的高能离子束经电(或磁)四极透镜的二次聚焦后，再由静电偏转板的电场偏转进入生长室；生长室内有一减速透镜装置，可使同位素纯的高能离子的能量降低至几十到几百电子伏特(eV)，变成低能离子；最后，利用得到的同位素纯的低能离子在衬底上进行材料的生长与制备。表2列举了本发明的一些实施例。

表1：新型离子源电源参数表

表2：新型离子源产生的离子举例

Claims (9)

1.一种用于低能离子束材料制备方法的离子源装置，包括弧室体与坩埚两部分，每部分配有辅助加热装置，其特征是：弧室体与坩埚成一体且分置于前后部，弧室体后壁有排进气孔与坩埚连通；弧室体内上下两端各装有一根螺旋状灯丝，两灯丝外侧各有一反射板，弧室体前壁的前盖板上有离子引出狭缝；坩埚采用立式，由外壁、内筒和测温热偶构成，外壁与内筒间有空腔，所述排进气孔在坩埚外壁前侧面与弧室体相连通。

2.如权利要求1所述的离子源装置，其特征是：所述螺旋状灯丝由弧室体侧面上下两端的灯丝座安装孔装到弧室体内，然后与灯丝座连接固定；灯丝座有上下两套，每套包括长短两支座体，长支座体上安装有反射板，灯丝座与弧室体之间有绝缘陶瓷套。

3.如权利要求1所述的离子源装置，其特征是：所述坩埚内筒，为反应器型坩埚内筒或蒸发器型坩埚内筒。

4.如权利要求3所述的离子源装置，其特征是：所述反应器型坩埚内筒，内筒上盖有进气孔，底部有筛形出气孔，可盛装与工作气体反应的固体源材料，工作气体是自上而下通过源材料并与之充分反应。

5.如权利要求3所述的离子源装置，其特征是：所述蒸发器型坩埚内筒，内筒上部有出气孔，可盛装能蒸发出材料气氛的源材料。

6.如权利要求1所述的离子源装置，其特征是：所述弧室体内的两灯丝是并联接到灯丝加热电源的，弧室体两侧的辅助加热装置的左右两套加热丝是串联接到弧室加热电源上的，坩埚两侧的辅助加热装置的左右两套加热丝是串联接到坩埚加热电源上的。

7.如权利要求6所述的离子源装置，其特征是：通过调整辅助加热装置的弧室加热电源、坩埚加热电源及灯丝加热电源的电流来控制该离子源装置的工作温度，其工作温度范围为150～850℃。

8.如权利要求5所述的离子源装置，其特征是：所述蒸发器型坩埚内筒内的源材料为作为固体源材料的氯化物。

9.如权利要求4所述的离子源装置，其特征是：反应器型坩埚内筒内的固体源材料为氧化物或单质金属。

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