[發明專利]一種氣體團簇離子源產生方法及裝置

有效

• 申請號: 201710664910.3
• 申請日: 2017-08-07
• 公開（公告）號: CN107393794B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 瓦西里·帕里諾維奇;曾曉梅;付德君
• 申請（專利權）人: 深圳江海行納米科技有限公司
• 主分類號: H01J37/08
• 分類號: H01J37/08;H01J27/02;H01J37/317
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 邱琳

技術領域

本發明涉及一種氣體團簇離子源產生方法及裝置，屬于離子注入設備技術領域。

背景技術

離子注入技術是上個世紀發展起來的一門半導體摻雜和表面改性技術，通過改變材料表面成分、結構，進而優化材料表面性能，甚至獲得某些新的優異性能。即用具有一定能量和劑量的離子束轟擊材料，離子束由于受到材料中的原子、分子的撞擊或其他物理化學作用，逐漸失去能量、降低速度，最終停留在距離材料表面不遠的位置。但普通的離子注入采用單原子離子，注入過程中存在溝道效應，當單原子離子沿著晶體的晶向注入時，會因為與晶格原子發生較少的碰撞而入射到很深的位置，產生拖尾現象，導致結深加大。溝道效應的存在阻礙了超淺表面的改性要求的實現。解決的辦法一是降低注入離子能量，或改變入射傾斜角。二是使用多原子離子或團簇離子，因此團簇離子束技術得到重視。

氣體團簇離子束設備可以產生原子數達到數千甚至上萬的多原子離子，但整臺設備十分精密復雜，需要各個部件的完美配合才能得到預期結果。而離子源就是核心技術，離子源的可用與否直接關系到所產生團簇離子的優劣(能量、劑量)，因而，有必要設計強束流、低能量的離子源。一方面要求產生足夠數量的團簇粒子，另一方面要設計大電流的電子槍，使之與團簇粒子充分碰撞，使團簇粒子電離，變成團簇離子束。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種氣體團簇離子源產生方法及裝置，可以用于產生并加速熱電子，使中性團簇粒子充分電離，得到團簇離子，然后在引出極(亦稱為吸極)、加速器和E型永久磁鐵作用下，眾多的團簇離子聚集成團簇離子束。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是：提供了一種氣體團簇離子源產生方法，包括以下步驟：

(1)利用脈沖控制閥控制噴出脈沖式氣流束，所述脈沖式氣流束包含兩個不同的錐形氣流，其中一個錐形氣流由發散式的單原子構成，另一個錐形氣流由集中于脈沖式氣流束中心軸的中性團簇粒子構成；

(2)脈沖式氣流束經過分束器，排除部分單原子，中性團簇粒子和另外部分單原子通過分束器；

(3)脈沖式氣流束經過電離器，電離器中產生熱電子，脈沖式氣流束的中性團簇粒子離化成為團簇離子，單原子離化成單原子離子；

(4)脈沖式氣流束繼續經過吸極，在吸極內獲得初始加速度并匯聚形成收斂的圓錐形氣流束；

(5)圓錐形氣流束繼續經過加速器和透鏡進一步加速后通過E型永久磁鐵，經過E型永久磁鐵的磁場時，圓錐形氣流束中的單原子離子和原子數小于等于100的團簇離子在洛侖磁力的作用下偏離，原子數大于100的團簇離子維持原路徑穿過磁場，形成團簇離子束。

本發明同時提供了一種基于所述方法的氣體團簇離子源產生裝置，包括用于產生脈沖式氣流束的脈沖控制閥，以及沿脈沖式氣流束噴出方向依次布置的分束器、電離器、吸極、加速器、透鏡以及E型永久磁鐵。

所述脈沖控制閥設有超聲噴嘴和定位與準直裝置。

所述分束器的最小孔徑為1.4～2mm。

所述分束器采用純鋁材料，表面鍍層為Ni。

所述電離器采用中心軸與脈沖式氣流束噴出方向一致的圓柱形不銹鋼柵屏外殼，其內部設有兩個陰極和一個位于所述兩個陰極之間的陽極，陰極采用鎢絲，圓柱形不銹鋼柵屏外殼的兩端分別通過氮化硼絕緣盤與接地的光闌相連。

陽極電壓相對于陰極高60～200V，陽極電流最大為40mA，陰極電流最大為1.4A。

所述吸極為中心軸與脈沖式氣流束噴出方向一致的圓柱形，電離器陽極電壓為U_an時，吸極所加電壓U_an–U_an/20。

所述加速器由沿脈沖式氣流束噴出方向布置的三級靜電透鏡組成，其中間的靜電透鏡加有負電壓-7～12kV，另外兩個靜電透鏡接地。

所述E型永久磁鐵長50mm，由鐵芯和兩個磁極構成，其中心處磁場為50～150mT。

本發明基于其技術方案所具有的有益效果在于：

(1)本發明的氣體團簇離子源產生方法能夠實現在標準溫度和一定氣壓下，使得通過錐形噴嘴的中性團簇，在與電子的碰撞中發生電離，形成氣體團簇離子，后在吸極、加速器和E型永久磁鐵作用下，匯聚成團簇離子束；