[发明专利]一种离子源

说明书

技术领域

本发明涉及离子束技术领域，尤其涉及一种等离子体桥式中和器位置可调的离子源。

背景技术

离子束加工是当代微电子机械系统(MEMS)微纳精密加工的重要工艺之一。离子源是离子束加工系统的核心，它是通过向放电室上游端的主阴极加压，将充入放电室的惰性气体经辉光放电电离成等离子体，经离子光学系统引出带正电的离子束，经过下游端的中和阴极向离子束发射与束电流等量的电子流进行电荷中和，生成高能高速的、可用于微机电加工的中性离子束。

为了避免正电荷在离子束中或离子束轰击工件表面上的积累，消弱空间电荷效应减少束发散，需要中和阴极向离子束喷发电子，随着离子束发射，形成束等离子体而完成正负电荷中和。常用的直热电子发射丝阴极中和器可分为浸没式和外置式两种。其中浸没式阴极中和器的原理是采用直接穿过离子束的钨或铊丝，当加热到2200～2300℃以上温度时向离子源引出的带正电的离子束发射电子，电子电流耦合进入离子束消除静电荷而形成中性等离子体。该浸没式的缺陷是：因浸没在离子束中，直接受束离子的轰击溅射，阴极灯丝很快变细并最终烧断，需要频繁更换；如果在反应气体气氛中使用消耗更快；在离子源超高真空工作环境中，因更换阴极灯丝需要再次获得超高真空，非常费时。而外置式中和器需要加较高的负耦合电压，受束离子与中性原子电荷交换生成的离子轰击溅射较严重，所以这两种热阴极中和器都只有几十小时的工作寿命。

卡夫曼离子源等离子体桥式中和器(PBN)采用腔式空心阴极(Hollow Cathode，HC)，下游端的喷嘴向离子束发射电子，好象在阴极和离子束之间架起了一座运送中和电子的等离子体桥。该等离子体桥式中和器具有以下优点：1)因置于离子束外侧，避免了离子束的直接轰击，连续工作时间长，寿命长达100小时以上，大大提高了离子源的维护周期和使用寿命；2)使用氩气放电，很小的喷口使内部压强高出离子束环境1～2个数量级，极大减轻了反应气体的损害，具有稳定的工作特性；3)克服了浸没式和外置式直热阴极中和器给工件带来的污染，在低能离子束薄膜材料制备和离子束刻蚀中有广泛的应用。

然而，现有等离子体桥式中和器与离子源的离子束之间的相对位置是固定不变的。当离子源的离子束参数发生变化后，等离子体桥式中和器的耦合效果将变差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中等离子体桥式中和器与离子源的离子束之间相对位置固定的缺陷，提供一种通过检测等离子体电位分布来调整等离子体桥式中和器位置的离子源。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种离子源，包括：气体电离装置、离子光学系统和等离子体桥式中和器，所述气体电离装置用于产生等离子体，所述离子光学系统用于从所述等离子体中抽取离子束并加速，所述等离子体桥式中和器用于向所述离子束发射电子生成中性离子束；所述离子源还包括检测系统和控制系统，所述检测系统用于检测离子源出射位置的等离子体电位径向分布，所述控制系统用于根据所述等离子体电位径向分布调整所述等离子体桥式中和器的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角。

在根据本发明所述的离子源中，所述等离子体桥式中和器安装在底座上，所述控制系统通过控制所述底座旋转来调整等离子体桥式中和器的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角。

在根据本发明所述的离子源中，所述控制系统根据所述等离子体电位径向分布调整所述等离子体桥式中和器的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角的操作具体为：所述控制系统逐级调整所述等离子体桥式中和器的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角，同时通过检测系统检测当前夹角对应的等离子体电位径向分布，判断该等离子体电位径向分布是否满足预设条件，是则停止夹角调整操作，否则继续夹角调整操作。

在根据本发明所述的离子源中，所述预设条件为所述等离子体电位径向分布的方差低于预设方差值。

在根据本发明所述的离子源中，所述控制系统还在检测等离子体电位径向分布不满足预设条件时，检测当前等离子体桥式中和器的阴极轴线与离子束轴线之间的夹角是否位于20°至90°的范围内，是则继续夹角调整操作，否则停止夹角调整操作。

在根据本发明所述的离子源中，所述控制系统还用于控制所述底座移动以调整所述等离子体桥式中和器与离子束之间的径向距离，以及所述等离子体桥式中和器与离子光学系统的轴向距离。

在根据本发明所述的离子源中，所述控制系统还与等离子体桥式中和器的电源连接，用于根据所述径向距离以及轴向距离调整所述等离子体桥式中和器的耦合电压。