專利名稱：離子束流密度和能量的同步測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子輔助沉積鍍膜技術(shù)，特別是一種用于離子源的離子束流 密度和能量的同步測量裝置，也可用于離子注入、改性以及濺射中離子源所 發(fā)射離子能量和束流密度的測量。
背景技術(shù)：
離子束技術(shù)己被證實(shí)可有效改善薄膜質(zhì)量并廣泛應(yīng)用于薄膜沉積技術(shù) 中，其關(guān)鍵設(shè)備離子源的性能也成為影響沉積質(zhì)量的重要因素。離子源發(fā)射出一定離子能量和束流密度的離子束，使其在真空室中運(yùn)行 一定距離后作用到薄膜分子或原子上，發(fā)生動量和能量交換作用，從而改變 了生長中的薄膜性質(zhì)，這就是離子輔助沉積的過程。離子輔助沉積的優(yōu)點(diǎn)是可以通過控制離子的參數(shù)來控制薄膜的屬性，因 此要考察離子束輔助效果，必須考察離子束的參數(shù)，包括離子的束流密度、 能量、離子束發(fā)散角、離子種類等，其中離子的能量和束流密度是最重要的 又最難確定的參數(shù)，因此離子束輔助沉積需要一種探測離子束流密度和能量 的裝置。離子束流密度和能量的同歩測量存在以下難點(diǎn)陽離子和電子的分離。離子源所發(fā)射的離子束一般為陽離子和電子共同 存在的等離子體，它們之間互相干擾影響了測量的準(zhǔn)確性，因此需要在探測 時進(jìn)行分離。束流密度和能量測量的同步性。對同一種離子進(jìn)行空間分布和能量分布 的測量是很不現(xiàn)實(shí)的，因此兩個參數(shù)需要針對兩種粒子進(jìn)行測量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述難點(diǎn)，提供一種離子源的離子束 流密度和能量的同步測量裝置，該裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單和操作方便的特點(diǎn)。 本發(fā)明的原理是通過磁場偏轉(zhuǎn)進(jìn)行陽離子和電子的分離電子通過電子接收器進(jìn)行采集， 其數(shù)量反映了束流密度，即通過的電流與該裝置對應(yīng)捕獲面積的比值；而陽 離子通過陽離子接收器進(jìn)行采集，通過對陽離子運(yùn)行軌跡的分析，獲得離子
能量的分布情況。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于離子源的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特征在于包 括采用磁屏蔽材料制成一圓柱形采集筒，在圓柱形采集筒內(nèi)設(shè)置一筒形結(jié) 構(gòu)的離子過濾器，其截面為一半圓形及一等腰直角三角形的一直角邊和 斜邊圍合而成，在該采集筒的側(cè)壁上及所述的離子過濾器的半圓形和三角 形的斜邊連接處采用磁屏蔽材料設(shè)一引流孔，在離子過濾器的半圓形位置 設(shè)置碗形電子接收器，在離子過濾器的等腰直角三角形的直角邊和斜邊位 置處設(shè)置一片狀陽離子接收器，該離子過濾器接地，但與所述的陽離子接收 器和電子接收器絕緣，在該采集筒內(nèi)兩個端面分別設(shè)置電磁線圈，該兩電磁 線圈與該采集筒外的一可調(diào)恒壓直流電源相連，以在該采集筒中離子過濾器 內(nèi)建立恒定的可調(diào)的勻強(qiáng)磁場，所說的陽離子接收器經(jīng)第一電阻和第一毫安 表接地，所說的電子接收器經(jīng)第二電阻和第二毫安表接地。所述的陽離子接收器的金屬片的尺寸與所述的引流孔的尺寸相當(dāng)，分別 位于離子過濾器的斜邊的兩側(cè)對稱放置，并互相垂直。所述的兩個電磁線圈的中心同軸，二者之間的距離與線圈直徑相等。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明能夠同時對離子能量和束流密度進(jìn)行測量?？梢酝瑫r獲得束流密 度和離子能量的分布規(guī)律。本裝置不但可以用于離子輔助沉積離子束流密度 和能量的測量，還可用于離子注入、離子改性和離子濺射中束流密度和能量 的測量。本發(fā)明裝置使用簡單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明離子源的離子能量和束流密度的同步測量裝置的結(jié)構(gòu)剖視 示意2是使用本發(fā)明測量Ar離子源的Ar離子相對束流與離子能量的關(guān)系 曲線。離子源陽極電壓為120V情況下Ar離子相對束流與離子能量的關(guān)系曲 線，代表了離子能量的分布情況，中心線處橫坐標(biāo)代表離子束的平均能量。圖3是使用本發(fā)明測量離子源陽極電壓為120V情況下束流密度的分布情況圖4是使用本發(fā)明測量離子平均能量隨陽極電壓的變化曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。請參閱圖1，圖1是本發(fā)明離子源的離子能量和束流密度的同步測量裝置 的結(jié)構(gòu)剖視示意圖，由圖可見，本發(fā)明離子束流密度和能量的同步測量裝置， 其特征在于包括采用磁屏蔽材料制成一圓柱形采集筒2，在圓柱形采集筒2內(nèi)設(shè)置一筒形結(jié)構(gòu)的離子過濾器4，其截面為一半圓形及一等腰直角三角 形的一直角邊和斜邊圍合而成，在該采集筒2的側(cè)壁上及所述的離子過濾 器4的半圓形和三角形的斜邊連接處采用磁屏蔽材料設(shè)一引流孔1，在離 子過濾器4的半圓形位置設(shè)置碗形電子接收器7，在離子過濾器4的等腰 直角三角形的直角邊和斜邊位置處設(shè)置一片狀陽離子接收器6，該離子過 濾器4接地，但與所述的陽離子接收器和電子接收器絕緣，在該采集筒2內(nèi) 兩個端面分別設(shè)置電磁線圈5，該兩電磁線圈5與該采集筒2外的一可調(diào)恒壓 直流電源相連，以在該采集筒2中離子過濾器4內(nèi)建立恒定的可調(diào)的勻強(qiáng)磁 場3，所說的陽離子接收器6經(jīng)第一電阻8和第一毫安表9接地，所說的電子 接收器7經(jīng)第二電阻9和第二毫安表11接地。本實(shí)施例中各部分的元件的主要性能參數(shù)和作用引流孔l:位于裝置下方的直徑為2mm的小孔，孔壁采用磁屏蔽材料制 成，用于引入離子流。采集筒2:為圓柱形的封閉裝置，其外殼采用磁屏蔽材料制成，用來避免 磁場對離子束的干擾，保證正常測量。磁場3:由裝置前后兩個面的電磁線圈產(chǎn)生，用以改變粒子運(yùn)動方向，使陽離子和電子分別向左右兩個方向運(yùn)動，分離后分別由接收器捕捉。離子過濾器4:由金屬片圍繞而成，完全環(huán)繞著陽離子接收器，電子接收器及全部的入射粒子。該器件與地相連，用來濾除不需要的陽離子。電磁線圈5:由裝置前后兩個面的電磁線圈構(gòu)成亥姆霍茲線圈，外接直流電源，通過調(diào)節(jié)該電源電壓，產(chǎn)生可調(diào)的恒定的勻強(qiáng)磁場3。陽離子接收器6由直徑2mm的金屬片制成，與離子過濾器4的外殼絕緣，外接第一電阻8和第一毫安表9，用以采集一定運(yùn)行軌跡的陽離子。電子接收器7為一碗形金屬片，可以覆蓋該裝置的右半部分，與離子過
濾器的外殼絕緣，電子接收器7經(jīng)第二電阻10和第二毫安表11接地，用以 采集絕大多數(shù)的電子。第一電阻8用以在測量時進(jìn)行分壓，起到保護(hù)電路的作用。第一毫安表9通過測量電路中的電流，得出經(jīng)流的陽離子數(shù)量。第二電阻10:用以在測量時進(jìn)行分壓，起到保護(hù)電路的作用。 第二毫安表ll，通過測量電路中的電流，得出經(jīng)流的電子數(shù)量。 本發(fā)明裝置的測量流程是將本發(fā)明裝置的引流孔1正對著待測離子源的離子發(fā)射方向，由離子源 發(fā)射的等離子體束正入射至引流孔1后，在磁場3的作用下，在采集筒2內(nèi) 的陽離子和電子分別獲得兩個方向相反的運(yùn)動速度，如圖1所示，電子向右被電子接收器7所捕獲，電子流經(jīng)第二電阻10和第二毫安表11，由第二毫安表11記錄該電子流的大小，將第二毫安表11所示讀數(shù)除以入射的引流孔1 的截面積即為電子流密度，由于所發(fā)射的為等離子體，因此電子流密度即為離子源的束流密度；而陽離子向左運(yùn)動，其中一部分被離子過濾器4過濾掉， 只有滿足一定運(yùn)行軌道半徑的陽離子才能被陽離子接收器6所捕獲，通過對 運(yùn)動軌跡的分析，得出該條件下離子的能量。第一毫安表9所代表的即為該 能量下的陽離子流密度，我們將兩表示數(shù)值相比定義為相對束流，亦即該能 量下的束流的分布概率。設(shè)入射離子質(zhì)量m，速度v，能量E，電量q，運(yùn)行軌跡半徑r，可變磁 場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，根據(jù)公式_ gS _《S即可求出入射離子能量。調(diào)節(jié)磁場3，使第一毫安表9的示數(shù)，經(jīng)過由小 到大然后又變小的過程，即可捕捉到全部能量范圍情況，最后通過積分我們 就可以獲得離子源的能量情況。利用本發(fā)明裝置對離子源進(jìn)行了測量，其結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。 試驗(yàn)表明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠同時對離子能量和束流密度進(jìn)行測量。可以 同時獲得離子束流密度和能量的分布規(guī)律。本發(fā)明不但可以用于離子輔助沉 積離子束流密度和能量的測量，還可用于離子注入、離子改性和離子濺射中 束流密度和能量的測量。本發(fā)明裝置使用簡單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。
權(quán)利要求
1、一種用于離子源的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特征在于包括采用磁屏蔽材料制成一圓柱形采集筒(2)，在圓柱形采集筒(2)內(nèi)設(shè)置一筒形結(jié)構(gòu)的離子過濾器(4)，其截面為一半圓形及一等腰直角三角形的一直角邊和斜邊圍合而成，在該采集筒(2)的側(cè)壁上及所述的離子過濾器(4)的半圓形和三角形的斜邊連接處采用磁屏蔽材料設(shè)一引流孔(1)，在離子過濾器(4)的半圓形位置設(shè)置碗形電子接收器(7)，在離子過濾器(4)的等腰直角三角形的直角邊和斜邊位置處設(shè)置一片狀陽離子接收器(6)，該離子過濾器(4)接地，但與所述的陽離子接收器和電子接收器絕緣，在該采集筒(2)內(nèi)兩個端面分別設(shè)置電磁線圈(5)，該電磁線圈(5)與該采集筒(2)外的一可調(diào)恒壓直流電源相連，以在該采集筒(2)中離子過濾器(4)內(nèi)建立恒定的可調(diào)的勻強(qiáng)磁場(3)，所說的陽離子接收器(6)經(jīng)第一電阻(8)和第一毫安表(9)接地，所說的電子接收器(7)經(jīng)第二電阻(9)和第二毫安表(11)接地。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特 征在于所述的陽離子接收器(6)的金屬片的尺寸與所述的引流孔(1)的尺 寸相當(dāng)，分別位于離子過濾器(4)的斜邊的兩側(cè)對稱放置，并互相垂直。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子束流密度和能量的同步測量裝置，其特征 在于所述的兩個電磁線圈(5)的中心同軸，二者之間的距離與線圈直徑相等。
全文摘要
一種用于離子源的離子束流密度和能量的同步測量裝置，通過磁場偏轉(zhuǎn)進(jìn)行陽離子和電子的分離電子通過電子接收器進(jìn)行采集，采集的電流與該裝置對應(yīng)捕獲面積的比值即反映了束流密度，而陽離子通過陽離子接收器進(jìn)行采集，通過對陽離子運(yùn)行軌跡的分析，獲得離子能量的分布情況。本發(fā)明裝置能夠同時對離子能量和束流密度進(jìn)行測量?？梢酝瑫r獲得離子束流密度和能量的分布規(guī)律。本發(fā)明裝置使用簡單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號C23C14/54GK101130858SQ200710046649
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者晉云霞, 王聰娟, 邵建達(dá) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所