濺射離子槍的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種濺射離子槍，具有：氣流方向調(diào)節(jié)裝置、氬離子產(chǎn)生裝置和聚焦透鏡；氬離子產(chǎn)生裝置的內(nèi)部具有加載電壓可調(diào)的電子加速柵網(wǎng)和與該電子加速柵網(wǎng)參考點位相關聯(lián)的燈絲；電子加速柵網(wǎng)為一側壁為金屬網(wǎng)的圓管；電子加速柵網(wǎng)的前端為柵網(wǎng)陽極，后端為柵網(wǎng)陰極；通過調(diào)節(jié)加載在電子加速柵網(wǎng)上的電壓控制氬離子沿該柵網(wǎng)軸向的運動速度，調(diào)節(jié)離子產(chǎn)生效率。本發(fā)明可以在進行表面刻蝕或深度分析時單獨使用，提升離子槍表面處理效果的同時使得表面處理過程可調(diào)控。在進行樣品表面的清潔處理或表面重構時可以采用離子濺射和真空退火反復循環(huán)處理。整套離子槍的用材完全適合超高真空環(huán)境的使用要求，可耐200℃以上的高溫烘烤。
【專利說明】濺射離子槍
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種濺射離子槍，涉及專利分類號HOl基本電氣元件HOlJ放電管或放電燈H01J3/00通用于兩種或兩種以上基本類型的放電管或燈的電子光學或離子光學裝置的零部件或離子阱的零部件H01J3/04離子槍。
【背景技術】
[0002]在當前的科學研究和工程應用中，表面科學正扮演著重要的角色，是新材料合成、材料的物理化學性質(zhì)分析的基本環(huán)節(jié)，尤其在納米尺度材料的制備和納米制造領域發(fā)揮著重要的作用。獲得和控制表面構造是表面科學的基礎，更是納米科技的前提。典型的表面處理手段有解離、退火和離子濺射，而退火和離子濺射幾乎是表面分析儀器的標準配置，一般情況下選用質(zhì)量大且不活潑的氬(Ar )離子濺射固體表面，清理表面雜質(zhì)或反應層后再進行退火處理而實現(xiàn)表面重構，進而得到科學研究所需的表面。目前現(xiàn)有的表面離子槍結構如圖9所示，主要由等離子產(chǎn)生器1、等離子噴嘴3兩部分構成，其中等離子噴嘴3主要由第一開口 2和第二開口 4組成。結構很簡單，沒有離子產(chǎn)生數(shù)量控制裝置、離子加速裝置。離子化效率低，離子運動速度低，離子噴射時有方向偏差，處理過程不可調(diào)控，那么在進行材料表面處理時很難達到理想效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種濺射離子槍，具有:由外界氣源引入氬氣的氣流方向調(diào)節(jié)裝置、位于該調(diào)節(jié)裝置前端的氬離子產(chǎn)生裝置和最前端的聚焦透鏡；
[0004]所述氬離子產(chǎn)生裝置的內(nèi)部具有加載電壓可調(diào)的電子加速柵網(wǎng)、與該電子加速柵網(wǎng)參考電位相關聯(lián)的燈絲和處于零電位離子加速柵網(wǎng)；
[0005]所述電子加速柵網(wǎng)為一側壁為金屬網(wǎng)的圓管；通過調(diào)節(jié)加載在電子加速柵網(wǎng)上的電壓，控制氬離子產(chǎn)生的數(shù)量進而調(diào)節(jié)離子產(chǎn)生效率和離子的運動速度；
[0006]所述燈絲位于電子加速柵網(wǎng)圓管的外部，燈絲的兩端分別連通電源；
[0007]所述離子加速柵網(wǎng)為一平面金屬網(wǎng)，位于電子加速柵網(wǎng)的前端，與電子加速柵網(wǎng)的中心軸線垂直；
[0008]工作時，電子加速柵網(wǎng)和燈絲通電，電子加速柵網(wǎng)相對于所述處于零電位的離子加速柵網(wǎng)具有正高壓，柵網(wǎng)之間形成電場；燈絲通電后發(fā)射電子，產(chǎn)生的電子在電子加速柵網(wǎng)作用下沿電子加速柵網(wǎng)的徑向加速運動，轟擊通過柵網(wǎng)的氬原子，使氬原子電離產(chǎn)生離子；所產(chǎn)生的離子被電子加速柵網(wǎng)和離子加速柵網(wǎng)之間的電場正高壓加速，由前端的離子加速柵網(wǎng)輸出，經(jīng)由所述聚焦透鏡聚焦后噴出。
[0009]所述聚焦透鏡包括:三個串聯(lián)的圓筒電極，圓筒電極之間采用Al2O3絕緣，位于中間的圓筒電極處于正高壓，兩側的圓筒電極接地，處于零電位。
[0010]所述氬離子產(chǎn)生裝置具有一筒狀外殼，所述的電子加速柵網(wǎng)固定在所述的外殼中；該外殼前端具有一供所述熱離子噴出的離子引導口，所述的離子加速柵網(wǎng)覆蓋該離子引導口。
[0011]所述氣流調(diào)節(jié)裝置包括前端開口的外罩、調(diào)節(jié)所述氬離子產(chǎn)生裝置和聚焦透鏡的角度微調(diào)機構和與所述電子加速柵網(wǎng)軸向平行的氬氣導入管；所述的氬氣導入管與外界氣源連通，將氬氣吹送至所述的氬離子產(chǎn)生裝置。
[0012]所述角度微調(diào)機構包括與外罩前端開口重合的波紋管、多個調(diào)節(jié)旋鈕和與波紋管下端內(nèi)壁固定連接的法蘭；
[0013]所述離子發(fā)生裝置通過法蘭支撐桿與所述的波紋管底部的法蘭連接；
[0014]所述的多個調(diào)節(jié)旋鈕均勻分布在所述的外罩四周，貫穿所述外罩，調(diào)節(jié)旋鈕的前端與所述的波紋管相連，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)旋鈕深入外罩內(nèi)的長度，控制所述波紋管的角度，微調(diào)所述離子發(fā)生裝置和聚焦透鏡的角度。
[0015]所述調(diào)節(jié)旋鈕位于同一平面；調(diào)節(jié)旋鈕之間形成角度相同。
[0016]所述電子柵網(wǎng)和燈絲之間的電壓恒定位180V。
[0017]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明提供的濺射離子槍具有結構簡單，使用方便等優(yōu)點，可以在進行表面刻蝕或深度分析時單獨使用，提升離子槍表面處理效果的同時使得表面處理過程可調(diào)控。在進行樣品表面的清潔處理或表面重構時可以采用離子濺射和真空退火反復循環(huán)處理。整套離子槍的用材完全適合超高真空環(huán)境的使用要求，可耐200°C以上的高溫烘烤。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例或現(xiàn)有技術的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本發(fā)明濺射離子槍的總體結構圖
[0020]圖2為本發(fā)明濺射離子槍的剖面圖
[0021]圖3為本發(fā)明離子產(chǎn)生、加速和聚焦構造的示意圖
[0022]圖4為本發(fā)明附圖3的剖視圖
[0023]圖5為本發(fā)明聚焦透鏡原理圖
[0024]圖6為本發(fā)明BNC電極的示意圖
[0025]圖7為本發(fā)明控制電源原理圖
[0026]圖8為本發(fā)明離子槍尾部BNC電極的原理圖
[0027]圖9為現(xiàn)有離子槍結構圖
[0028]圖10為本發(fā)明離子槍的工作狀態(tài)示意圖
【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚完整的描述:
[0030]如圖1-圖4所示:一種濺射離子槍，主要包括:由外界氣源引入氬氣的氣流方向調(diào)節(jié)裝置、位于該調(diào)節(jié)裝置前端的氬離子產(chǎn)生裝置和最前端的聚焦透鏡。[0031 ] 所述氬離子產(chǎn)生裝置的內(nèi)部具有加載電壓可調(diào)的電子加速柵網(wǎng)、與該電子加速柵網(wǎng)參考電位相關聯(lián)的燈絲和處于零電位離子加速柵網(wǎng)。
[0032]所述電子加速柵網(wǎng)為一側壁為金屬網(wǎng)的圓管；通過調(diào)節(jié)加載在電子加速柵網(wǎng)上的電壓，控制氬離子產(chǎn)生的數(shù)量進而調(diào)節(jié)離子產(chǎn)生效率和離子的運動速度；
[0033]所述燈絲位于電子加速柵網(wǎng)圓管的外部，燈絲的兩端分別連通電源；
[0034]所述離子加速柵網(wǎng)為一平面金屬網(wǎng)，位于電子加速柵網(wǎng)的前端，與電子加速柵網(wǎng)的中心軸線垂直；
[0035]工作時，電子加速柵網(wǎng)和燈絲通電，電子加速柵網(wǎng)相對于所述處于零電位的離子加速柵網(wǎng)具有正高壓，柵網(wǎng)之間形成電場；燈絲通電后發(fā)射電子，產(chǎn)生的電子在電子加速柵網(wǎng)作用下沿電子加速柵網(wǎng)的徑向加速運動，轟擊通過柵網(wǎng)的氬原子，使氬原子電離產(chǎn)生離子；所產(chǎn)生的離子被電子加速柵網(wǎng)和離子加速柵網(wǎng)之間的電場正高壓加速，由前端的離子加速柵網(wǎng)輸出，經(jīng)由所述聚焦透鏡聚焦后噴出。
[0036]為了能夠有效的聚焦產(chǎn)生的離子束流，所述聚焦透鏡主要包括:三個串聯(lián)的圓筒電極，圓筒電極之間采用Al2O3絕緣，位于中間的圓筒電極處于正高壓，兩側的圓筒電極接地，處于零電位。
[0037]所述電子加速柵網(wǎng)的前端具有一與該電子加速柵網(wǎng)垂直、增加離子束流指向性的離子加速柵網(wǎng)，該離子加速柵網(wǎng)加速由所述電子加速柵網(wǎng)陽極噴出的氬離子。
[0038]為了增加產(chǎn)生的離子的運動速度和運動角度，作為一個較佳的實施方式，所述氬離子產(chǎn)生裝置具有一筒狀外殼，所述的電子加速柵網(wǎng)固定在所述的外殼中；該外殼前端具有一供所述熱離子噴出的離子引導口，所述的離子加速柵網(wǎng)覆蓋該離子引導口。
[0039]為了能夠微調(diào)所述的電子發(fā)生裝置和聚焦透鏡，作為一個較佳的實施方式所述氣流調(diào)節(jié)裝置包括前端開口的外罩、調(diào)節(jié)所述氬離子產(chǎn)生裝置和聚焦透鏡的角度微調(diào)機構和與所述電子加速柵網(wǎng)軸向平行的氬氣導入管；所述的氬氣導入管與外界氣源連通，將氬氣吹送至所述的氬離子產(chǎn)生裝置。
[0040]所述角度微調(diào)機構包括與外罩前端開口重合的波紋管、多個調(diào)節(jié)旋鈕和位于波紋管底部的法蘭；所述離子發(fā)生裝置通過法蘭支撐管與所述的法蘭連接；所述的多個調(diào)節(jié)旋鈕均勻分布在所述的外罩四周，貫穿所述外罩，調(diào)節(jié)旋鈕的前端與所述的波紋管相連，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)旋鈕深入外罩內(nèi)的長度，控制所述波紋管的角度，微調(diào)所述離子發(fā)生裝置和聚焦透鏡的角度。
[0041]實施例1:
[0042]一種濺射離子槍的底部主要有法蘭41，氬氣導入管43，電極44，BNC電極支撐桿45，電極46，BNC電極47以及外罩42。其中氬氣導入管43與CF16法蘭41采用焊接的方式連接。氬氣導入管內(nèi)徑為10_，管子另一端焊接的CF16法蘭41通過一個氣體流量微調(diào)閥后和氣罐相連。離子槍底部的五個BNC電極穿過底部端板49在離子槍內(nèi)部留有電極44。使用中將電極44電極46通過電纜對應相連。電極46在氣流調(diào)節(jié)裝置腔體中留有電極接頭，將電極接頭通過電纜分別與電子加速柵網(wǎng)電極28、24燈絲電極、212聚焦透鏡高壓電極相連。
[0043]如圖1所示，氣流方向調(diào)節(jié)裝置的外罩11，底部焊接法蘭14、頂部焊接法蘭15，氣流方向調(diào)節(jié)裝置與底部外罩通過法蘭14和法蘭48相連。[0044]氣流方向調(diào)節(jié)裝置的外罩11底部四周均布四個調(diào)節(jié)旋鈕12，調(diào)節(jié)旋鈕12內(nèi)部與角度微調(diào)機構相連，角度微調(diào)機構內(nèi)藏焊接波紋管13來實現(xiàn)真空密封和擺動驅動。將離子槍與真空腔體通過法蘭15連擊在一起，密封采用無氧銅墊圈來實現(xiàn)。
[0045]氬離子產(chǎn)生裝置通過連接法蘭盤支撐桿16、連接法蘭盤211、支撐桿210與氣流方向調(diào)節(jié)裝置相連。圖2所示，氬離子產(chǎn)生裝置包括外罩21、鎢燈絲22、電子加速柵網(wǎng)23、燈絲電極24、電子加速柵網(wǎng)底座25、前端蓋26、下端蓋27、電子加速柵網(wǎng)電極28、離子加速柵網(wǎng)29、支撐桿210以及連接法蘭盤211。其中燈絲電極直徑為0.1_，用螺栓固定在下端蓋27上，鎢燈絲固定在燈絲電極上，燈絲連接在電子加速柵網(wǎng)上。同時燈絲中電流可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為OmA~50mA,電子加速柵網(wǎng)選用不銹鋼材質(zhì),線徑0.1mm,間隔Imm繞指而成，同時施加在陽極柵網(wǎng)上的電壓值設有四個選項，分別是500V、1000V、1500V、2000V，可根據(jù)實驗需要選擇相應的電壓值。在前端蓋26上設置有離子加速柵網(wǎng)29選用不銹鋼材質(zhì)，線徑0.1mm,間隔1mm。
[0046]由圖3和圖4所示，聚焦透鏡由三個互相絕緣的圓筒電極33、34和35構成，圓筒電極由內(nèi)徑17.8mm的不銹鋼圓筒制成，電極之間用Al2O3絕緣，電極之間的距離為2mm。由圖3所示，中間電極處于正高壓，兩側電極接地而處于零電位。兩側電極分別由電極支撐桿31和36支撐在前端蓋26上。中間電極由高壓電極支撐桿32支撐在前端蓋26上。其原理圖如圖3所示。從A點進入透鏡的氬離子，到達中間電極之前被減速，穿過中間電極之后被加速到最初的能量，最后射出聚焦透鏡。從A出發(fā)的離子在B點受到向外的力，在C點受到向內(nèi)的力，因此在B點離子束發(fā)散，在C點離子束聚焦。雖然B和C點的力大小相同，但是靠近C點后氬離子的軸向速度減小，聚焦的效果大于發(fā)散的效果，氬離子穿過中間電極后，在D點聚焦，在E點發(fā)散，從整體效果看，離子束被聚焦。氬氣導入口引入與熱電子運動方向垂直的氬氣，被加速的電子引起氬氣原子周圍的的電場發(fā)生劇烈的變換，促使氬原子按式(I)的過程失去一個電子而被離子化，最終形成離子。氬氣原子的離子化效率取決于導入氣體的種類、熱電子的數(shù)量和能量，而電子的德布羅意波長和能量的關系可由以下公式導出:
[0047]M+e- — M++2e_ (I)
[0048]E = qU (2)
[0049]P = h/λ (3)
[0050]E = mv2/2 (4)
[0051]P = mv (5)
[0052]
【權利要求】
1.一種濺射離子槍，具有:由外界氣源引入氬氣的氣流方向調(diào)節(jié)裝置、位于該調(diào)節(jié)裝置前端的氬離子產(chǎn)生裝置和最前端的聚焦透鏡； 所述氬離子產(chǎn)生裝置的內(nèi)部具有加載電壓可調(diào)的電子加速柵網(wǎng)、與該電子加速柵網(wǎng)參考電位相關聯(lián)的燈絲和處于零電位離子加速柵網(wǎng)； 所述電子加速柵網(wǎng)為一側壁為金屬網(wǎng)的圓管；通過調(diào)節(jié)加載在電子加速柵網(wǎng)上的電壓，控制氬離子產(chǎn)生的數(shù)量進而調(diào)節(jié)離子產(chǎn)生效率和離子的運動速度； 所述燈絲位于電子加速柵網(wǎng)圓管的外部，燈絲的兩端分別連通電源； 所述離子加速柵網(wǎng)為一平面金屬網(wǎng)，位于電子加速柵網(wǎng)的前端，與電子加速柵網(wǎng)的中心軸線垂直； 工作時，電子加速柵網(wǎng)和燈絲通電，電子加速柵網(wǎng)相對于所述處于零電位的離子加速柵網(wǎng)具有正高壓，柵網(wǎng)之間形成電場；燈絲通電后發(fā)射電子，產(chǎn)生的電子在電子加速柵網(wǎng)作用下沿電子加速柵網(wǎng)的徑向加速運動，轟擊通過柵網(wǎng)的氬原子，使氬原子電離產(chǎn)生離子；所產(chǎn)生的離子被電子加速柵網(wǎng)和離子加速柵網(wǎng)之間的電場正高壓加速，由前端的離子加速柵網(wǎng)輸出，經(jīng)由所述聚焦透鏡聚焦后噴出。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種濺射離子槍，其特征還在于:所述聚焦透鏡包括:三個串聯(lián)的圓筒電極，圓筒電極之間采用Al2O3絕緣，位于中間的圓筒電極處于正高壓，兩側的圓筒電極接地，處于零電位。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種濺射離子槍，其特征還在于:所述氬離子產(chǎn)生裝置具有一筒狀外殼，所述的電子加速柵網(wǎng)固定在所述的外殼中；該外殼前端具有一供所述熱離子噴出的離子引導口，所述的離子加速柵網(wǎng)覆蓋該離子引導口。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種濺射離子槍，其特征還在于:所述氣流調(diào)節(jié)裝置包括前端開口的外罩、調(diào)節(jié)所述氬離子產(chǎn)生裝置和聚焦透鏡的角度微調(diào)機構和與所述電子加速柵網(wǎng)軸向平行的氬氣導入管；所述的氬氣導入管與外界氣源連通，將氬氣吹送至所述的氬離子產(chǎn)生裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種濺射離子槍，其特征還在于:所述角度微調(diào)機構包括與外罩前端開口重合的波紋管、多個調(diào)節(jié)旋鈕和與波紋管下端內(nèi)壁固定連接的法蘭； 所述離子發(fā)生裝置通過法蘭支撐桿與所述的波紋管底部的法蘭連接； 所述的多個調(diào)節(jié)旋鈕均勻分布在所述的外罩四周，貫穿所述外罩，調(diào)節(jié)旋鈕的前端與所述的波紋管相連，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)旋鈕深入外罩內(nèi)的長度，控制所述波紋管的角度，微調(diào)所述離子發(fā)生裝置和聚焦透鏡的角度。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種濺射離子槍，其特征還在于:所述調(diào)節(jié)旋鈕位于同一平面；調(diào)節(jié)旋鈕之間形成角度相同。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種濺射離子槍，其特征還在于:所述電子柵網(wǎng)和燈絲之間的電壓恒定位180V。
【文檔編號】H01J37/305GK103474318SQ201310474465
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】臧侃, 董華軍, 郭方準, 孔一涵, 康凱 申請人:大連交通大學