[发明专利]一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源

说明书

本发明提供了一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法，首先利用气体团簇离子源产生气体重团簇；接着气体重团簇轰击纳米靶材，溅射出靶物质，包括单体和小团簇；最后溅射出的单体、小团簇与电子碰撞被电离成离子，离子经过电场加速并进行磁质分离获得离子束流。本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇溅射固体离子源，包括由依次连通的气体团簇离子源管段、溅射室和靶材原子溅射管段组成的真空腔室，所述靶材原子溅射管段依次设有第一离化器、第一加速器、单透镜和电磁铁。本发明提供的一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源，成本低、安全可靠、无污染，能在不使用铯和钽丝的情况下获得离子束。

技术领域

本发明涉及一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源，属于离子源技术领域。

背景技术

近年来，离子束在工业方面的应用愈加广泛，主要有离子束刻蚀、半导体材料掺杂、离子束沉积、材料表面改性等。除工业领域外，离子束还广泛应用于基础应用研究、同位素分离、质谱学、聚变能、放射疗法等各领域学科，此外，离子束也可作为探测束用于二次离子质谱、加速器质谱、卢瑟福背散射、离子激发X射线荧光谱、核反应分析以及弹性反冲探测分析等方面。由此可见，离子束在现代科技中发挥着十分重要的作用。因此，离子源作为产生和输出离子束的设备，其重要性自然不言而喻。

目前，离子束通常是通过气体放电、电子束对气体原子或分子的碰撞；带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离，并被引出成束而产生。溅射型离子源主要有铯离子源，已广泛存在于2×1.7MV串列加速器，即通过加热液态铯，使得铯蒸汽在钽丝中离化成Cs⁺，Cs⁺撞击靶材，获得靶材离子。但铯离子源存在两个难以解决的问题。一是金属铯价格昂贵，剧毒，在空气中极易被氧化，所以需要一直密封在玻璃管中，且需要机械泵、分子泵维持真空；二是钽丝价格昂贵，易断裂，使用后不便清洗表面污染物，造成铯的离化率低，从而影响后续靶材的溅射率。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法及离子源，成本低，安全可靠，无污染，能在不使用铯和钽丝的情况下获得离子束。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种利用气体团簇溅射靶材引出离子束流的方法，包括以下步骤：

(1)利用气体团簇离子源产生气体重团簇，平均团簇尺寸为1000个原子/团簇；

(2)气体重团簇轰击纳米靶材，在气体重团簇的团簇效应和纳米靶材的有限尺寸效应作用下靶物质被有效溅射出，形成单体和小团簇；所述小团簇为靶材原子结合所成的团簇，单个小团簇的原子数介于1到15之间；

(3)溅射出的单体和小团簇与电子碰撞被电离成离子，离子经过电场加速并进行磁质分离获得离子束流。

步骤(1)所述利用气体团簇离子源产生气体重团簇具体采用以下过程：通过超声喷嘴将高纯源气体绝热冷却并超声膨胀后喷出，形成中性团簇，中性团簇经过钨丝放电电离成气体团簇正离子。

步骤(2)所述纳米靶材采用以下过程制备：选取粒径小于100nm的纳米粉末，通过电动压片机压制成密度低于2.0g/cm³的纳米靶材。

步骤(3)所述溅射出的单体和小团簇通过离化器电离成离子。

步骤(3)所述离子通过加速器实现加速。

步骤(3)所述离子经过电场加速后通过单透镜实现聚焦。

步骤(3)所述离子经过电场加速后利用电磁铁实现磁偏转，获得射向目标物的离子束流。

本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇溅射固体离子源，包括由依次连通的气体团簇离子源管段、用于放置纳米靶材的溅射室和靶材原子溅射管段组成的真空腔室，所述靶材原子溅射管段依次设有第一离化器、第一加速器、单透镜和电磁铁。