一种新型的离子源引出-加速结构

摘要

本发明公开了一种新型的离子源引出‑加速电极结构，其中，引出电极由圆孔型引出设计为等宽的长条形引出形状，同时加速电极之间的距离不再恒定，设计为连续变化的引出间距，即加速电极之间的距离由5mm变为可变区间3‑7mm。通过实施本发明，离子束斑的形状发生明显的改变，由原来的圆形束斑变成长条形束斑，束斑尺寸可为(100‑200mm)×(300‑800mm)，大大提高了离子束斑的纵向宽度，在处理长条形工件时有着非常明显的优势。同时，通过引出‑加速电极的改变离子束流大大增加，在相同束流强度下能够大大增加阴极靶材的寿命。

权利要求

1.一种新型的金属离子源引出-加速结构，其特征在于：

包括一个引出电极和一个加速电极，其中引出电极为长条形孔；

对加速电极进行表面结构设计，结构为凹弧形且截面为长条梯形孔；

束斑为长条形状，长条梯形孔的长边垂直方向上发散，长边平行方向上收敛；

实际工作引出电压为定值低压8kv，同等束流条件下阴极寿命提高2倍以上；

引出束斑尺寸最长可为800mm。

2.根据权利要求书1所述的一种新型的金属离子源引出-加速结构，其特征包括：引出电极孔为长条形，相邻两长条形引出电极孔间距为1.2-2.0mm，长条形引出电极孔尺寸为(1.5-2.5mm)×(80-100mm)。

3.根据权利要求书1所述的一种新型的金属离子源引出-加速结构，其特征包括：加速电极孔为长条形，相邻两长条形加速电极孔间距为1.2-2.0mm，加速电极表面为凹弧形形状，弧形的半径为9-12m。

4.根据权利要求书3所述的一种新型的金属离子源引出-加速结构，引出电极与加速电极之间的间距为以机械尺寸为中心，沿半径方向连续减小，引出电极和加速电极之间的间距为3-7mm。

5.根据权利要求书3所述的一种新型的金属离子源引出-加速结构，加速电极的长条形孔的截面不是规则矩形，而是梯形形状，靠近引出电极端面一侧的梯形上边面尺寸为(1.5-

2.5mm)×(80-100mm)，梯形下边面尺寸为(2-3mm)×(80-100mm)。

6.一种新型的金属离子源，其特征在于，设置有采用权利要求1至5任一项所述的金属离子源引出-加速结构。

说明书

一种新型的离子源引出-加速结构

技术领域

[0001] 本发明为解决长条形工件金属离子处理时离子束均匀性的问题而提出的新型的离子源引出-加速结构。技术背景

[0002] 金属蒸汽真空弧离子源(Metal Vapor Vacuum Arc)，简称MEVVA源。这项技术是在上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的Brown、Adler和Burkhart等人因核物理研究需要研制而成。由于MEVVA源可以产生各种强流金属和导电化合物的离子束，具有束流强、离子种类多、纯度高、电荷态高、引出电压高以及多孔大面积引出的特点，利用这些离子束可以改善和提高金属材料表面抗磨损、抗高温氧化、耐腐蚀和降低表面摩擦系数等性能，也可以改善陶瓷、金刚石表面的焊接性能等，经金属离子注入处理后的工模具和零部件，使用寿命将大大提高。因此近20年里MEVVA源技术有了快速的发展，是材料表面优化处理的重要技术手段之一，被广泛的应用于机加工、机器制造、仪器仪表制造等行业，对离子注入材料表面改性研究与应用已经并正在发挥重要的影响。

[0003] MEVVA源的工作原理是利用阴极和阳极间的真空弧放电产生大量的金属等离子体，在电场的作用下被引出而形成的强流金属离子束。MEVVA源能够产生元素周期表中从锂到铀的所有金属离子，金属离子束流强、束斑大，特别适用于科学研究和工业应用。MEVVA源实现强流离子注入，能够改变材料表面成分及结构，因此种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。

[0004] MEVVA源技术有点如下：：

[0005] (1)对元素周期表上的固体金属元素(合碳)都能产生10毫安量级的强束流；

[0006] (2)离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；

[0007] (3)金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加(离子)注入；

[0008] MEVVA源技术的缺点：

[0009] 1、MEVVA要处理大工件时往往是通过扫描系统或者增大阴极尺寸及系统来实现的，使得离子注入机的结构变得更加复杂；

[0010] 2、为提高处理尺寸，工件一般距离子束出口距离较远，大大降低了离子束的密度，在同等束流强度的情况下大大减低了阴极的寿命。

发明内容

[0011] 针对上述问题，本发明基于原有的MEVVA系统，对引出电极以及加速电极重新设计，提出了一种离子源引出-加速电极结构。

[0012] 本发明实施例的目的之一是通过设计离子源引出-加速结构有效地对离子束流进行调控，实现能处理更宽工件的长条形束斑，同时能够大幅提高阴极寿命。

[0013] 进一步来讲，离子源引出-加速结构包括：长条形的引出电极，以及梯形截面的加速电极；

[0014] 在一些实施例中，引出电极包括：引出电极孔为长条形，相邻两长条形引出孔间距为1.2-2.0mm，长条形引出电极孔尺寸为(1.5-2.5mm)×(80-100mm)；引出电极厚2-5mm；

[0015] 在一些实施例中，加速电极包括：加速电极孔为长条形，相邻两长条形引出孔间距为1.2-2.0mm，加速电极表面为弧形形状，弧形的半径为9-12m；加速电极的长条形孔的截面不是常规的矩形，而是梯形形状，靠近引出电极端面一侧的梯形上边面尺寸为(1.5-2.5mm)×(80-100mm)，梯形下边面尺寸为(2-3mm)×(80-100mm)，加速电极厚2-5mm。

[0016] 相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优势：

[0017] 1、本发明实施例提出的新型引出-加速电极结构引出束斑尺寸最长可为800mm，最宽可为400mm，这是现有直径为10mm阴极结构的金属真空蒸汽离子源相同位置长度的3-5倍；

[0018] 2、相比现有直径为10mm阴极结构的金属真空蒸汽离子源，束流大小提高1-2倍，在相同束流大小情况下能够提高阴极靶材的寿命1-2倍；

[0019] 需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。

[0020] 以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0021] 本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

[0022] 构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0023] 图1为本发明实施例提供的引出电极俯视图和侧面图；

[0024] 图2为本发明实施例提供的引出电极和加速电极侧视图；

[0025] 图3为本发明实施例提供的金属真空蒸汽离子源(MEVVA)示意图及实物图；

[0026] 图4为金属真空蒸汽离子源(MEVVA)：引出电极：长条孔间距1.5mm，长条形引出电极孔尺寸为2mm×90mm；引出电极厚3mm；加速电极：长条孔间距1.5mm，加速电极表面为弧形形状，弧形的半径为10m；加速电极的长条形孔的截面梯形上边面(靠近引出电极端面)尺寸为2mm×90mm，梯形下边面尺寸为2.2mm×90mm，加速电极厚2mm，加速电极与引出电极最小间距为3mm，实际工作电压8kV；

[0027] 图5为金属真空蒸汽离子源(MEVVA)：引出电极：长条孔间距1.5mm，长条形引出电极孔尺寸为2mm×90mm；引出电极厚3mm；加速电极：长条孔间距1.5mm，加速电极表面为凹弧形形状，弧形的半径为10m；加速电极的长条形孔的截面梯形上边面(靠近引出电极端面)尺寸为2mm×90mm，梯形下边面尺寸为2.4mm×90mm，加速电极厚2mm，加速电极与引出电极最小间距为3mm，实际工作电压8kV；

[0028] 图6为金属真空蒸汽离子源(MEVVA)：引出电极：长条孔间距1.5mm，长条形引出电极孔尺寸为2mm×90mm；引出电极厚3mm；加速电极：长条孔间距1.5mm，加速电极表面为弧形形状，弧形的半径为10m；加速电极的长条形孔的截面梯形上边面(靠近引出电极端面)尺寸为2mm×90mm，梯形下边面尺寸为3mm×90mm，加速电极厚2mm，加速电极与引出电极最小间距为3mm，实际工作电压8kV；

[0029] 图7为图4，5，6三种不同情况下(分别对应图7中的下标1，2，3)，工作电压8kV，束流6mA时阴极靶材的寿命对比图。

[0030] 附图标记说明

[0031] 100  引出电极长条形孔

[0032] 101  引出电极定位孔

[0033] 102  引出电极长条孔间距

[0034] 103  引出电极

[0035] 200  引出电极侧视图

[0036] 201  加速电极侧视图

[0037] 202  加速电极长条孔梯形截面

[0038] 300  MEVVA阴极靶材及实物图

[0039] 301  引出电极示意图及实物图

[0040] 302  加速电极示意图及实物图

[0041] 303  触发电极

[0042] 304  离子束

[0043] 方法实施例

[0044] 本实施例中，引出电极尺寸参数为：长条孔间距1.5mm，长条形引出电极孔尺寸为2mm×90mm；引出电极厚3mm；

[0045] 加速电极尺寸参数为：长条孔间距1.5mm，加速电极表面为弧形形状，弧形的半径为10m；加速电极的长条形孔的截面梯形上边面(靠近引出电极端面)尺寸为2mm×90mm，加速电极厚2mm，加速电极与引出电极最小间距为3mm，实际工作电压8kV；其中改变梯形下边面尺寸取(2.2，2.4和3mm)×90mm，离子注入基板10min，其中基板为白纸，白纸距离出口均为100mm。

[0046] 综合图4-6试验结果来看，新型引出-加速电极能够很好的对离子进行调控，在阴极尺寸为φ10mm能够形成长条形的离子束斑，在离出口100mm处，束斑长度大于500mm，比原来的束斑直径180mm提高了近3倍的长度，非常有利于长条形工件的处理，同时从束斑颜色来看，束流均匀性明显提高，没有明显的强束流强区和弱区。如图7，在相同6mA离子束流强度下阴极靶材的寿命均大于40小时，比原来的8h提高了5倍以上。