本發(fā)明涉及離子束技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種大束徑離子源及屏柵。

背景技術(shù)：

離子束加工是當(dāng)代微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)微納精密加工的重要工藝之一。離子源是離子束加工系統(tǒng)的核心，主要有電子轟擊(Electron Impact，EI)離子源、霍爾(Hall)離子源和射頻(Radio Frequency，RF)離子源三大類?；魻栯x子源的缺點(diǎn)是：離子能量低，調(diào)節(jié)范圍較小，污染嚴(yán)重，氣耗較大，基片受離子源燈絲烘烤升溫高，不能用于冷鍍，工作參數(shù)由于無柵受影響，不易穩(wěn)定。射頻離子源的不足是：射頻電容耦合產(chǎn)生較大的等離子體電勢和柵網(wǎng)濺射速率，價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性差，干擾多，氣耗大，石英放電室需經(jīng)常維護(hù)、定期更換。而卡夫曼(H.Kaufman)離子源是目前最常用的電子轟擊寬束離子源(BBIS)，涉及電子發(fā)射、電子種類變遷、粒子碰撞、中性原子電離、氣體放電、等離子體物理及化學(xué)、離子束形成及傳輸?shù)榷喾N過程。采用卡夫曼強(qiáng)發(fā)散場型離子源用于離子束加工，可以克服霍爾離子源和射頻離子源的不足。

然而，目前常用的卡夫曼離子源通常為小束徑離子源，其設(shè)計(jì)的發(fā)射口徑小于100mm。當(dāng)設(shè)計(jì)大束徑離子源時(shí)，通常面臨諸多技術(shù)難題。其中一個(gè)非常重要的問題就是如何保障離子束流密度均勻性。因?yàn)殡S著發(fā)射口徑的增大，等離子體濃度分布沿徑向分布不均勻，導(dǎo)致離子光學(xué)系統(tǒng)抽取的束流也不均勻。因此，現(xiàn)有大束徑離子源的束流密度均勻度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有大束徑離子源的束流密度均勻度不高的缺陷，提供一種采用變孔徑屏柵來提高束流密度均勻度的大束徑離子源及該屏柵。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種大束徑離子源，包括：氣體電離裝置、離子光學(xué)系統(tǒng)和中和裝置，所述氣體電離裝置用于產(chǎn)生等離子體，所述離子光學(xué)系統(tǒng)用于從所述等離子體中抽取離子束并加速，所述中和裝置用于向所述離子束發(fā)射電子生成中性離子束；其特征在于，所述大束徑離子源的發(fā)射口徑為100～200mm；所述離子光學(xué)系統(tǒng)包括在同一中心線上軸向間隔設(shè)置的屏柵和加速柵，所述屏柵中部設(shè)有帶柵孔的柵孔區(qū)，所述柵孔區(qū)的柵孔孔徑沿徑向方向從柵孔區(qū)圓心向外逐漸增大。

在根據(jù)本發(fā)明所述的大束徑離子源中，所述屏柵的柵孔區(qū)為圓形，所述柵孔區(qū)被分成面積相等的多個(gè)區(qū)域，所述多個(gè)區(qū)域包括一個(gè)中心圓以及圍繞所述中心圓的多個(gè)同心圓環(huán)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相同孔數(shù)的柵孔，且同一區(qū)域內(nèi)柵孔孔徑相等，不同區(qū)域的柵孔孔徑從柵孔區(qū)圓心向外逐漸增大。

在根據(jù)本發(fā)明所述的大束徑離子源中，所述多個(gè)區(qū)域的柵孔孔徑從柵孔區(qū)圓心向外等差值遞增?；蛘咚龆鄠€(gè)區(qū)域中柵孔的孔徑通過以下公式計(jì)算：

其中，m為柵孔區(qū)的區(qū)域數(shù)量，d_s(i)為從內(nèi)到外第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑，i＝1、2、……、m，d_s(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑；n_i(i)為第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的等離子體濃度，n_i(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的等離子體濃度；T_e(i)為第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的電子溫度，T_e(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的電子溫度；t_s為屏柵厚度。

在根據(jù)本發(fā)明所述的大束徑離子源中，所述氣體電離裝置包括放電室以及內(nèi)部的主陰極、筒形陽極和電磁線圈；所述放電室設(shè)有氣孔用于通入惰性氣體；所述主陰極和離子光學(xué)系統(tǒng)分別位于所述放電室的軸向兩端；所述筒形陽極中間的區(qū)域構(gòu)成氣體放電區(qū)；所述電磁線圈位于筒形陽極外側(cè)，用于產(chǎn)生高頻電場；所述主陰極在陽極電場的作用下發(fā)射電子；進(jìn)入氣體放電區(qū)的惰性氣體受電子轟擊引發(fā)放電形成等離子體。

在根據(jù)本發(fā)明所述的大束徑離子源中，所述放電室為圓筒形，所述放電室的長度與發(fā)射口徑的比值為0.4～0.6:1。

在根據(jù)本發(fā)明所述的大束徑離子源中，所述大束徑離子源的離子能量范圍為200～1000eV，離子束流密度為0.2～0.8mA/cm²，有效束徑與發(fā)射口徑之比為85％～95％。

本發(fā)明還提供了一種屏柵，用于大束徑離子源，該屏柵中部設(shè)有帶柵孔的柵孔區(qū)，所述柵孔區(qū)的柵孔孔徑沿徑向方向從柵孔區(qū)圓心向外逐漸增大。

在根據(jù)本發(fā)明所述的屏柵中，所述屏柵的柵孔區(qū)為圓形，所述柵孔區(qū)被分成面積相等的多個(gè)區(qū)域，所述多個(gè)區(qū)域包括一個(gè)中心圓以及圍繞所述中心圓的多個(gè)同心圓環(huán)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相同孔數(shù)的柵孔，且同一區(qū)域內(nèi)柵孔孔徑相等，不同區(qū)域的柵孔孔徑從柵孔區(qū)圓心向外等差值遞增。

在根據(jù)本發(fā)明所述的屏柵中，所述屏柵的柵孔區(qū)為圓形，所述柵孔區(qū)被分成面積相等的多個(gè)區(qū)域，所述多個(gè)區(qū)域包括一個(gè)中心圓以及圍繞所述中心圓的多個(gè)同心圓環(huán)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相同孔數(shù)的柵孔，且同一區(qū)域內(nèi)柵孔孔徑相等，所述多個(gè)區(qū)域的柵孔孔徑通過以下公式計(jì)算：

其中，m為柵孔區(qū)的區(qū)域數(shù)量，d_s(i)為從內(nèi)到外第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑，i＝1、2、……、m，d_s(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑；n_i(i)為第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的等離子體濃度，n_i(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的等離子體濃度；T_e(i)為第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的電子溫度，T_e(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的電子溫度；t_s為屏柵厚度。

實(shí)施本發(fā)明的大束徑離子源及屏柵，具有以下有益效果：本發(fā)明的大束徑離子源，通過設(shè)計(jì)變孔徑屏柵，使屏柵孔徑與屏柵抽取的等離子濃度分布相匹配，進(jìn)而通過不同的孔徑抽取相同的束流密度，達(dá)到改善束流均勻度的目的，可產(chǎn)生束流寬、方向性強(qiáng)、平度參數(shù)優(yōu)異的離子束，有效束徑及均勻度大，且束流穩(wěn)定性強(qiáng)。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的大束徑離子源的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的大束徑離子源中屏柵結(jié)構(gòu)圖；

圖3為圖2中屏柵的柵孔區(qū)孔徑設(shè)計(jì)示意圖；

圖4為等離子體濃度徑向分布曲線；

圖5為電子溫度徑向分布曲線；

圖6為根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的發(fā)射口徑為150mm的離子源的束流密度分布曲線；

各標(biāo)號(hào)表示如下：

1-氣孔；2-主陰極；3-筒形陽極；4-屏柵；5-加速柵；6-橋式中和器；7-電磁線圈；8-等離子體；9-中性離子束；10-放電室；11-中和室；12-法拉第探頭；41-柵孔區(qū)；42-柵孔；43-安裝孔。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在附圖中示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的各種結(jié)構(gòu)示意圖、原理示意圖以及效果圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚表達(dá)的目的，放大了某些細(xì)節(jié)，并且可能省略了某些細(xì)節(jié)。圖中所示出的各種區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對(duì)大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實(shí)際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際所需可以另外設(shè)計(jì)具有不同形狀、大小、相對(duì)位置的區(qū)域/層。

請(qǐng)參閱圖1，為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的大束徑離子源的結(jié)構(gòu)圖。該大束徑離子源包括氣體電離裝置、離子光學(xué)系統(tǒng)和中和裝置。其中，氣體電離裝置用于產(chǎn)生等離子體，離子光學(xué)系統(tǒng)用于從等離子體中抽取離子束并加速，中和裝置用于向離子束發(fā)射電子生成中性離子束。

如圖1所示，氣體電離裝置具體包括放電室10以及內(nèi)部的主陰極2、筒形陽極3和電磁線圈7。放電室10可為圓筒形，其上設(shè)有氣孔1用于通入惰性氣體。離子光學(xué)系統(tǒng)包括屏柵4和加速柵5，兩者在同一中心線上軸向間隔設(shè)置。主陰極2和離子光學(xué)系統(tǒng)分別位于放電室10的軸向兩端。筒形陽極3中間的區(qū)域構(gòu)成氣體放電區(qū)。電磁線圈7位于筒形陽極3外側(cè)，用于產(chǎn)生高頻電場。主陰極2在陽極電場的作用下發(fā)射電子。進(jìn)入氣體放電區(qū)的惰性氣體受電子轟擊引發(fā)放電形成等離子體8。屏柵4用于從等離子體8中抽取離子束，并經(jīng)加速柵5加速。中和裝置包括中和室11及橋式中和器6。其中，中和室11和放電室10可以設(shè)計(jì)在同一真空?qǐng)A筒中，也可以獨(dú)立設(shè)置。橋式中和器6用于向經(jīng)過加速柵5加速的離子束發(fā)射電子，進(jìn)行中和形成中性離子束9而完成正負(fù)電荷中和。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的大束徑離子源的發(fā)射口徑為100～200mm，優(yōu)選為150～200mm。該發(fā)射口徑是指屏柵的柵孔區(qū)直徑。本發(fā)明中可以通過向放電室10內(nèi)充入離子源使其電離分解從而產(chǎn)生等離子體，例如本發(fā)明的實(shí)施例中離子源的惰性氣體可以是氬氣、氪氣、氙氣、氦氣或氖氣。

請(qǐng)參閱圖2，為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的大束徑離子源中屏柵結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明也相應(yīng)提供了這樣一種屏柵，該屏柵4的中部設(shè)有帶柵孔42的柵孔區(qū)41。柵孔區(qū)41的外圍設(shè)置有多個(gè)安裝孔43，用于與加速柵5連接固定。屏柵4優(yōu)選但不限于圓盤形。該屏柵4可以選用鉬(Mo)或者石墨制備。柵孔區(qū)41可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)為圓形、矩形或者其它形狀。柵孔42的數(shù)量可以根據(jù)屏柵尺寸設(shè)計(jì)。請(qǐng)參閱圖3，為圖2中屏柵的柵孔區(qū)孔徑設(shè)計(jì)示意圖。從圖3中可以看出，屏柵4上柵孔42的孔徑d沿徑向方向從柵孔區(qū)圓心向外逐漸增大。也就是說，從整體趨勢來看，隨著柵孔圓心與柵孔區(qū)41的圓心O的徑向距離r的增大，柵孔42的孔徑d也增大。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，也可以將柵孔區(qū)41分為與柵孔區(qū)圓心O相距不同徑向距離r_i的多個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相同孔數(shù)的柵孔，且同一區(qū)域內(nèi)柵孔孔徑相等，而不同區(qū)域的柵孔孔徑則隨著徑向距離r_i的增大而增大。該徑向距離r_i可以為該區(qū)域的幾何中心到柵孔區(qū)41的圓心O的距離，也可以為該區(qū)域中的位置點(diǎn)到柵孔區(qū)41的圓心O的最大距離。本發(fā)明的屏柵孔徑是與屏柵抽取的等離子濃度分布相匹配的，由于等離子體濃度沿徑向向外逐漸降低，因此將屏柵的孔徑設(shè)計(jì)為沿徑向從內(nèi)至外逐漸增大，可以通過不同的孔徑抽取相同的束流密度，達(dá)到改善束流均勻度的目的。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，屏柵4的柵孔區(qū)41為圓形。該柵孔區(qū)41可以分成面積相等的多個(gè)區(qū)域，例如分為一個(gè)中心圓以及圍繞該中心圓的多個(gè)同心圓環(huán)。每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相同孔數(shù)的柵孔，且同一區(qū)域內(nèi)柵孔孔徑相等，不同區(qū)域柵孔孔徑從柵孔區(qū)圓心向外逐漸增大，即隨著該徑向區(qū)域的徑向距離r_i的增大而增大。例如，圖3中柵孔區(qū)41的直徑為9cm，若分成四等份，每塊面積約為16cm²。中心圓和3個(gè)等面積圓環(huán)的外圓半徑分別為r₁＝2.25cm，r₂＝3.2cm，r₃＝3.9cm，r₄＝4.5cm。中心圓和各個(gè)圓環(huán)內(nèi)的孔數(shù)相同，且同一區(qū)域內(nèi)部的柵孔孔徑相等。本發(fā)明中劃分的區(qū)域數(shù)量可根據(jù)柵孔區(qū)的大小設(shè)定。由于存在束散角，不同區(qū)域的子束有一定的交叉，所以該柵孔變化區(qū)域不必劃分得過細(xì)。對(duì)于10cm離子源即上述柵孔區(qū)直徑為9cm的柵極可分為4個(gè)區(qū)域，便可以得到很好的均流效果。其它尺寸的屏柵柵孔區(qū)的區(qū)域數(shù)量可以按照面積比放大即可。也就是說，該數(shù)量與柵孔區(qū)的面積成正比，即柵孔區(qū)越大，劃分的區(qū)域越多。應(yīng)該說明地是，雖然本發(fā)明的實(shí)施例采用圓形的柵孔區(qū)對(duì)柵孔孔徑設(shè)計(jì)的具體過程進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不限于此，本發(fā)明的變孔徑設(shè)計(jì)方法同樣適用于其他形狀的柵孔區(qū)。

本發(fā)明可以采用兩種不同的方式設(shè)計(jì)各個(gè)區(qū)域的柵孔孔徑。第一種方式是，以等差值遞增的方法計(jì)算各個(gè)區(qū)域的柵孔孔徑。例如，

d_s(i)＝d_s(m)-(m-i)d； (1)

其中，m為柵孔區(qū)的區(qū)域數(shù)量，d_s(i)為從內(nèi)到外第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑，i＝1、2、……、m，d為相鄰區(qū)域的柵孔孔徑的差值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。通常情況下，徑向距離最大的柵孔孔徑可取典型值，例如d_s(m)＝2mm。當(dāng)差值d＝0.2mm，m＝4時(shí)，將這些值分別代入式(1)，可確定各區(qū)的孔徑分別為d_s(1)＝1.4mm，d_s(2)＝1.6mm，d_s(3)＝1.8mm，d_s(4)＝2.0mm。該柵孔孔徑計(jì)算方式簡單，且能夠達(dá)到很好的均流效果。

進(jìn)一步地，本發(fā)明經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)離子光學(xué)系統(tǒng)抽取的束流與柵孔面積成正比，而注入柵孔的離子數(shù)與柵孔上游的等離子濃度n_i(r)有關(guān)。r為徑向距離。并且，由于等離子體濃度分布沿徑向不均勻，電子溫度沿徑向也有一定的變化。因此，在本發(fā)明的第二種方式中，通過設(shè)計(jì)一種變孔徑屏柵，使屏柵孔徑d_s(r)與濃度n_i(r)和電子溫度T_e(r)分布相匹配，即屏柵上不同徑向位置的屏柵孔徑按該位置的濃度d_s(r)和電子溫度T_e(r)來確定，則可利用不同的孔徑抽取相同的束流密度，提高束流均勻度。具體地，本發(fā)明通過擬合出以下公式(2)來計(jì)算柵孔區(qū)41的多個(gè)區(qū)域的柵孔孔徑：

其中，m為柵孔區(qū)的區(qū)域數(shù)量，d_s(i)為從內(nèi)到外第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑，i＝1、2、……、m，d_s(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的柵孔孔徑；n_i(i)為第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的等離子體濃度，n_i(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的等離子體濃度；T_e(i)為第i個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的電子溫度，T_e(m)為第m個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的電子溫度；t_s為屏柵厚度。

通常情況下，徑向距離最大的柵孔孔徑可取典型值，例如d_s(m)＝2mm。屏柵厚t_s也可取典型值0.4mm。則其它區(qū)域的孔徑d_s(i)可通過以下公式(3)計(jì)算：

由上式可知，只要能夠確定各區(qū)域的等離子體濃度和相對(duì)電子溫度，就可以確定相應(yīng)的孔徑d_s(i)值。

本發(fā)明中可以預(yù)先使用常規(guī)屏柵和加速柵系統(tǒng)測出屏柵附近的等離體子濃度和電子溫度分布，然后計(jì)算出中心圓和各個(gè)圓環(huán)的等離子體濃度和電子溫度作為參考值，代入上述公式中得出各個(gè)區(qū)域的孔徑。例如，在以下典型工作條件下測量等離子體濃度和電子溫度：V_n＝800eV，J_b＝0.7mA/cm²，R≥0.8，η＝65％，I_b＝78mA，P_d＝450eV/Ion,P＝2.7×10^-2Pa；其中V_n為凈加速電壓，J_b為平均束流密度，R為凈加速電壓和總加速電壓之比；η為氣體效率，I_b為離子束流，P_d為放電功耗，P為工作時(shí)氣體壓強(qiáng)。首先，測出束流密度分布曲線。然后，根據(jù)等離子體濃度分布與束流分布輪廓鏡像原理，可認(rèn)為是屏柵附近的等離子體濃度徑向分布，如圖4所示。再由轉(zhuǎn)變出的相對(duì)等離子體濃度徑向分布得到各區(qū)的相對(duì)平均濃度為0.37，0.53，0.71和0.92，推算出的峰值等離子體濃度相對(duì)電子溫度在屏柵附近的徑向分布可以引用馬斯科(T.D.Masek)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖5所示，峰值電子溫度由圖可確定各區(qū)的相對(duì)平均電子溫度分別為0.28，0.45，0.64，0.88。將這些值分別代入式(3)，可確定各區(qū)的孔徑分別為d_s(1)≈1.25mm，d_s(2)≈1.40mm，d_s(3)≈1.62mm，d_s(4)≈2.0mm。本發(fā)明使用該屏柵制備的離子源在在加速柵孔徑d_a＝1.4mm的情況下測得束流歸一化輪廓曲線，并與常規(guī)的均孔徑屏柵相比較，可以看到本發(fā)明通過變孔徑設(shè)計(jì)后，束流均勻度明顯提高，可達(dá)75％。

在本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)例中。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)射口徑為150mm的離子源時(shí)，屏柵柵孔區(qū)的直徑為150mm，分成11等份，每塊面積約為16cm²。中心圓和10個(gè)等面積圓環(huán)的外圓半徑分別為r₁＝2.25cm，r₂＝3.2cm，r₃＝3.9cm，r₄＝4.5cm，……。中心圓和各個(gè)圓環(huán)內(nèi)的孔數(shù)相同，且同一區(qū)域內(nèi)部的柵孔孔徑相等。通過前述圖4和圖5的曲線可以外推得到各個(gè)區(qū)域的等離體子濃度和電子溫度，并將最外圓環(huán)的柵孔孔徑取典型值，可通過公式(2)計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的柵孔孔徑。實(shí)驗(yàn)證明，按這種孔徑設(shè)計(jì)制造的屏柵，在加速柵采用均孔徑柵極d_a＝1.4mm時(shí)，束流均勻度可達(dá)80％?？梢岳斫獾厥?，本發(fā)明的大束徑離子源中，加速柵5可以采用常規(guī)的均孔徑柵極，即柵極的各個(gè)柵孔孔徑均相等。該加速柵5也可以采用與本發(fā)明中屏柵4一樣的變孔徑柵極。

本發(fā)明的大束徑離子源的離子能量范圍為200～1000eV，離子束流密度為0.2～0.8mA/cm²，有效束徑與發(fā)射口徑之比為85％～95％。下面對(duì)本發(fā)明的大束徑離子源的具體性能參數(shù)進(jìn)行介紹。以發(fā)射口徑Φ＝150mm的大束徑離子源為例：

(一)設(shè)計(jì)要求：

1、有效束徑Φ_b：≧150mm；

該有效束徑按照標(biāo)準(zhǔn)刻蝕條件下，即最佳化有效束徑條件，離子束能量E_i＝800eV，平均束流密度J_b＝0.6mA/cm²，按束流密度變化±5％確定。

2、束流峰值密度J_bmax：≧0.7mA/cm²。

該束流峰值密度按照離子束刻蝕實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，按適用于光刻膠掩模和最佳化有效束徑定標(biāo)，離子束流密度：0.2～0.8mA/cm²。

3、有效束徑與發(fā)射口徑之比達(dá)到90％。

(二)參數(shù)設(shè)定：

1、離子束能量E_i設(shè)為800eV(可調(diào)范圍0～1200eV)；

該離子束能量按照離子束刻蝕實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)，按適用于光刻膠掩模和最佳化有效束徑定標(biāo)，即離子能量范圍為200～1000eV，離子束束流密度為0.7mA/cm²。

2、加熱放電電源即陽極弧電壓設(shè)為45V(可調(diào)范圍0～100V)，陽極弧電流設(shè)為1.3A(可調(diào)范圍0～5A)，加速極電壓設(shè)為280V(可調(diào)范圍0～600V)。

3、磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)為1.8×10^-4T。

4、本底壓強(qiáng)設(shè)為4.0×10^-4Pa(可調(diào)范圍≦5.0×10^-4Pa)；

工作壓強(qiáng)設(shè)為2.0×10^-2Pa(可調(diào)范圍≦1.0×10^-4Pa)。

Ar⁺離子束刻蝕氬氣工作壓強(qiáng)：2.0×10^-2Pa。

5、離子源的真空?qǐng)A筒的內(nèi)徑為170mm，即放電室10和中和室11的內(nèi)徑均為170mm。本發(fā)明還通過實(shí)驗(yàn)擬合了該口徑的離子源放電室長度與放電室性能的關(guān)系，得出最小放電功耗和氣體利用率兩者兼顧的放電室長度與發(fā)射口徑的比值約0.4～0.6:1。更優(yōu)選地，該放電室長度與發(fā)射口徑的比值為1:2時(shí)，能夠達(dá)到最小的放電功耗，和最大的氣體利用率。

(三)數(shù)據(jù)測定過程：

1、先機(jī)械泵單機(jī)工作、后機(jī)械泵和分子泵雙機(jī)工作，使真空室即放電室10和中和室11的真空度達(dá)到本底壓強(qiáng)。

2、將氬氣充入氣孔1，啟動(dòng)加熱放電電源產(chǎn)生輝光放電將氬氣原子電離形成等離子體8，經(jīng)屏柵4、加速柵5以及橋式中和器6，將等離子體8抽取、成束、加速、中和成中性離子束9。

3、用法拉第探頭12在0～170mm范圍內(nèi)，每隔4mm測試單位面積內(nèi)離子束束流即離子束流密度，所得離子束流密度分布曲線如圖6所示。圖6中橫軸為法拉第探頭12所處的橫向位置，豎軸為離子束流密度。經(jīng)過綜合性能分析，該離子源的有效束徑Φ_b為133.77mm，離子束流密度J_b為0.69mA/cm²。有效束徑與發(fā)射口徑之比高達(dá)89.18％。

綜上所述，本發(fā)明采用的卡夫曼強(qiáng)發(fā)散場型、大束徑離子源用于離子束加工，可以克服霍爾離子源和射頻離子源的不足。并且具有以下特點(diǎn)：

1、采用高居里點(diǎn)永磁發(fā)散場、匹配等離子體濃度分布的變孔徑柵極、反射熱發(fā)射電子式主陰極組件等技術(shù)，可產(chǎn)生束流寬、方向性強(qiáng)、平度參數(shù)優(yōu)異的離子束，有效束徑及均勻度大，有效束徑與發(fā)射口徑之比為可達(dá)85％～95％，束流穩(wěn)定性優(yōu)于±1％/小時(shí)；柵極加速能量大，能量帶寬集中、調(diào)節(jié)范圍大。

2、離子束能量和束流密度可單獨(dú)調(diào)整、控制、再現(xiàn)，工藝靈活性好，穩(wěn)定性高，工作性能優(yōu)良，使用領(lǐng)域廣泛。

3、在標(biāo)準(zhǔn)條件下(800eV，0.7mA/cm²)，離子源運(yùn)行功耗<200W，運(yùn)行功耗低，工作效率高；無水冷結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)。

4、本發(fā)明采用插裝式結(jié)構(gòu)和無水冷結(jié)構(gòu)，便于拆裝清洗和維護(hù)，重量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，工作參數(shù)有效重復(fù)性達(dá)95％以上。

5、高效率的中和與耦合運(yùn)行，延長了等離子體橋式中和器(PBN)的使用壽命。

6、本發(fā)明的大束徑離子源運(yùn)行可靠性高，性價(jià)比好，既方便研究試驗(yàn)，也適用批量生產(chǎn)。

本發(fā)明是根據(jù)特定實(shí)施例進(jìn)行描述的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白在不脫離本發(fā)明范圍時(shí)，可進(jìn)行各種變化和等同替換。此外，為適應(yīng)本發(fā)明技術(shù)的特定場合或材料，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行諸多修改而不脫離其保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明并不限于在此公開的特定實(shí)施例，而包括所有落入到權(quán)利要求保護(hù)范圍的實(shí)施例。