[发明专利]一种小型可切换式电子-离子枪

说明书

本发明涉及一种小型可切换式电子‑离子枪。所述小型可切换式电子‑离子枪包括：刀口密封的标准CF法兰；设置在CF法兰非刀口侧且位于中心部位的真空引线组件；设置在CF法兰另一侧的支撑件；设置在支撑件上的电子‑离子源的组件。本发明提出的切换式电子‑离子枪具有清洁无污染、工作可靠、寿命长的优点。

技术领域

本发明涉及一种小型可切换式电子-离子枪，用于真空中材料表面清洁、活化、加工等，特别地是针对激光晶体键合之前表面清洁活化用途，属于涉及真空电子技术领域。

背景技术

电子枪和离子枪是重要的电真空装置。它们由工作在真空环境的主体结构和外部电控模块组成。主体结构在真空环境中能对外引出电子束、离子束或原子束，以实现特定的功能。例如，电子束在几十kV高电压加速后轰击金属靶材可以产生x射线。电子束还可以通过外调制产生THz电磁波发射。离子束可以用于微纳加工领域的聚焦离子束刻蚀、半导体材料的离子注入。束流截面尺寸较大的离子枪在真空镀膜领域有着非常广泛的应用。离子束流被电子中和成原子束高速喷射出来还是一项重要的空间电推进技术。对于电绝缘材料的表面处理，纯粹的电子束或离子束轰击会导致表面荷电，会阻止后续束流的轰击，因此也需要带中和功能的离子枪(即原子束轰击)。

小束流的电子枪通常采用热电子发射来实现。热发射的优点是稳定性好、工作可靠，但也有明显缺点：功耗大、灯丝寿命不长、发射电子束流小、需要耐高温结构件、启动预热时间较长等。场发射电子枪也被广泛研究，优点是功耗低、启动快、室温发射，缺点是稳定性差、发射体寿命短。空心阴极电子枪是一种基于稀薄气体放电原理的“冷”电子枪，近些年因其在THz领域的巨大应用前景而被广泛研究，它可以产生安培级每平方厘米(A/cm²)的强束流，但因需要用到电极水冷、电磁线圈等复杂组件导致电子源主体结构复杂、尺寸较大，而且通常工作气体压强较高(几Pa～几十Pa)。为降低工作压强，通常还需要热灯丝发射来做触发源，这又带来寿命短等老问题。最近几年，很多工业和科研领域对于小束流(μA～mA)、结构小、启动快、高稳定、长寿命的电子枪有急迫需求。

离子枪是根据真空中稀薄气体放电原理，将工质气体电离，通过适当的引出和聚焦电极作用，引出离子束。必要时在引出口附近加上热发射电子源来中和离子从而实现原子束。离子枪的气体电离原理可以分为电子碰撞电离(EI)、磁控放电电离(MI)、静电放电电离(SEI)等类型。能量为70-100eV的电子与气体分子发生非弹性碰撞，使其失去外层电子成为正离子。这种EI离子枪首先需要合适的激励电子源。工业上通常采用热灯丝发射作为电子源。EI源中，电离产生的离子流与激发电子流成正比(I_ion＝kI_ele)，而且离子流要比激发电子流小得多(通常气体电离系数k＜＜1)。因此，这种离子枪多用于只要求很弱离子束流的情况(如质谱仪用途)。磁控放电是利用特殊的电磁场结构约束空间杂散电子来激发初始电离，每个正离子的产生都伴随着至少一个自由电子的产生，以此造成“雪崩”电离效应。磁场的主要作用是延长电子在抵达电极之前的运动路程，增加与气体分子碰撞电离的几率。这种MI型离子枪可引出的离子束流与气体压强、电离电压一般都呈指数关系(I_ion＝k₁Pⁿ；I_ion＝k₁V^m)。所以，一般可以通过提高工作气体的压强和电离电压来实现较大的离子流。为了降低放电压强和提高离子束流，工业上通常把EI和MI技术结合起来，即采用热发射来提高空间初始电子数，使得放电更容易发生，此后主要依靠MI来产生较大离子束流。目前市面上常见的考夫曼离子枪、霍尔离子枪大都采用了EIMI结合的原理。它们的离子中和也都采用在离子束出口加装热发射电子源来实现。这样做带来的问题是，电子源灯丝寿命短(通常几十～几百小时)、离子源结构复杂、尺寸较大(有的需要电极水冷)等缺点就成为实际应用的主要限制。为了去掉笨重的磁铁(永磁或电磁)，近些年国际上有人设计了纯粹靠静电场约束自由电子运动来实现气体放电从而引出离子束的静电离子枪，这种离子枪工作压强较高，放电模式复杂，不同模式之间随机跳变，导致离子流稳定性差。