專利名稱：一種金屬離子源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種離子源，屬于離子束材料表面改性技術；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：
離子注入技術被廣泛應用于材料表面改性研究，以及微電子器件的制作中，因此離子注入技術是非常重要的一種應用技術。離子注入技術的核心部件是產生離子的離子源。當離子源產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構，從而達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量取決于該金屬元素在被電離氣體內的含量，因為金屬元素在氣體中的含量較低，所以應用這種源獲取足夠數量的氣體元素離子比較容易，而要獲取足夠數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，使用這種離子源產生的金屬離子的數量不能滿足注入改性的需求。當希望產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等方式來產生大量的金屬元素。但這兩種結構形式都不能做氣體離子源使用。
現有的產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，其結構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構，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。當氣體輸入陽極和陰極構成的放電室后，產生放電形成等離子體，因此只能產生氣體離子，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。因此需要對其結構和產生離子的機理進行改進，引進新的設計方法。
一般的冷陰極氣體放電離子源在工作過程中，依靠陰極材料發射的電子對氣體分子進行電離，而當電離后的離子運動到陰極表面時，會產生濺射作用，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產生金屬離子的目的，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計的，濺射產額不大。現在用戶提出的要求是一種源可以產生氣體、金屬等多種元素離子，需要較大的產額來滿足離子注入改性的需要，傳統的設計方法就不能滿足要求，因此需要設計新型結構的離子源。
發明內容
本發明的目的在于提供一種既可以產生金屬離子，又可以產生氣體離子，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，在底座上固定有進氣嘴，進氣嘴上連接有陰極，陰極固定在底座上，陰極上設置有可與進氣嘴相通的通氣孔，陰極上面連接有陽極，在陽極外設置有磁鐵，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內，并與陽極構成一個放電室，在輔助陰極下方設置環形磁鐵和磁鐵，磁鐵置在環形磁鐵內，兩磁鐵連接在陰極上。
磁鐵為中間圓柱狀磁鐵，環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成了磁控濺射源。
所述陽極為筒狀結構或方形結構。
本發明提出應用濺射的基本原理，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，且突出在陽極區內，輔助陰極采用需要的金屬元素材料制成，當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，構成磁控濺射源，該輔助陰極即增大了金屬元素的濺射產額，又保護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。當需要采用氣體離子時，將輔助陰極下方設置環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。
附圖是本發明的結構示意圖；具體實施方式
附圖是本發明的具體實施例；下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進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上固定有進氣嘴5，進氣嘴5上連接有陰極3，陰極3固定在底座9上，陰極3上設置有可與進氣嘴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突出在陽極區內，并與陽極8構成一個放電室，在輔助陰極6下方設置環形磁鐵2和磁鐵4，磁鐵4置在環形磁鐵2內，環形磁鐵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與環形磁鐵2和磁鐵4構成了磁控濺射源。陽極8為筒狀結構或方形結構。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，并在其底部加有供磁控濺射的磁鐵，由于加有磁控濺射結構，陰極具有足夠大的表面積產生濺射離子，當不需要金屬離子時，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生自由電子，直至達到自持放電。當需要金屬離子時，放入磁鐵，當源達到自持放電狀態后，繼續增加放電電流，就會產生陰極磁控濺射。要濺射的金屬柱體伸入陽極區，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，不需要對離子源進行大量的部件更換。所以本發明可使一種離子源起到多種離子源的作用，且在產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。
當需要氣體元素時，首先抽系統真空到10-3P，然后，向放電室內充入所需氣體，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產生放電，形成等離子體，這時，在引出極加3000-30000伏引出電壓，使離子從放電室內等離子體中通過引出柵13孔引出。
當需要金屬元素時，將輔助陰極6放入，抽系統真空到10-3P，然后，通過進氣嘴4向放電室內充入氬氣，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，當被碰撞的表面原子具有能量大于逸出能時，產生濺射現象，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，可以產生鐵、銅、鉬、鋯、氮、氬等十余種元素離子，產生的鋯離子，通過分析器后測量可達20微安，鉬離子可達30微安，氮離子達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，在輔助陰極6下方設置環形磁鐵2和磁鐵4，為了提高濺射產額。該輔助陰極即增大了濺射面積、增加金屬元素產額，又保護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)上固定有進氣嘴(5)，進氣嘴(5)上連接有陰極(3)，陰極(3)固定在底座(9)上，陰極(3)上設置有可與進氣嘴(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)突出在陽極區內，并與陽極(8)構成一個放電室，在輔助陰極(6)下方設置環形磁鐵(2)和磁鐵(4)，磁鐵(4)置在環形磁鐵(2)內，環形磁鐵(2)和磁鐵(4)連接在陰極(3)上。
2.根據權利要求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，環形磁鐵(2)為外置圓柱狀磁鐵。
3.根據權利要求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.根據權利要求1所述的一種金屬離子源，其特征在于，輔助陰極(6)與環形磁鐵(2)和磁鐵(4)構成了磁控濺射源。
5.根據權利要求1所述的一種金屬離子源，其特征在于，陽極(8)為筒狀結構或方形結構。
全文摘要
本發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。本發明在裝置的陰極上增加輔助陰極，輔助陰極突出在陽極區內，并與陽極構成一個放電室，在輔助陰極下方設置環形磁鐵和磁鐵，磁鐵置在環形磁鐵內，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，構成磁控濺射源，該輔助陰極即增大了金屬元素的濺射產額，保護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。當需要采用氣體離子時，將輔助陰極下方設置環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 優先權日2004年7月6日
發明者趙玉清, 沈伯禮, 趙鑫, 朱克志, 李冬梅 申請人:西安交通大學