專利名稱：離子束流密度和能量的同步測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)量和能量交換作用，從而改變 了生長(zhǎng)中的薄膜性質(zhì)，這就是離子輔助沉積的過(guò)程。離子輔助沉積的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)控制離子的參數(shù)來(lái)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(cè)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(cè)量存在以下難點(diǎn)陽(yáng)離子和電子的分離。離子源所發(fā)射的離子束一般為陽(yáng)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(cè)量的準(zhǔn)確性，因此需要在探測(cè) 時(shí)進(jìn)行分離。束流密度和能量測(cè)量的同步性。對(duì)同一種離子進(jìn)行空間分布和能量分布 的測(cè)量是很不現(xiàn)實(shí)的，因此兩個(gè)參數(shù)需要針對(duì)兩種粒子進(jìn)行測(cè)量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)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(cè)量裝置，該裝置應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操作方便的特點(diǎn)。 本發(fā)明的原理是通過(guò)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行陽(yáng)離子和電子的分離電子通過(guò)電子接收器進(jìn)行采集， 其數(shù)量反映了束流密度，即通過(guò)的電流與該裝置對(duì)應(yīng)捕獲面積的比值；而陽(yáng) 離子通過(guò)陽(yáng)離子接收器進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)陽(yáng)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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)濾器的半圓形位置 設(shè)置碗形電子接收器，在離子過(guò)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(yáng)離子接收器，該離子過(guò)濾器接地，但與所述的陽(yáng)離子接收 器和電子接收器絕緣，在該采集筒內(nèi)兩個(gè)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(guò)濾器 內(nèi)建立恒定的可調(diào)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，所說(shuō)的陽(yáng)離子接收器經(jīng)第一電阻和第一毫安 表接地，所說(shuō)的電子接收器經(jīng)第二電阻和第二毫安表接地。所述的陽(yáng)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(guò)濾器的斜邊的兩側(cè)對(duì)稱放置，并互相垂直。所述的兩個(gè)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(shí)對(duì)離子能量和束流密度進(jìn)行測(cè)量?？梢酝瑫r(shí)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(cè)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(cè)量。本發(fā)明裝置使用簡(jiǎn)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(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)剖視 示意2是使用本發(fā)明測(cè)量Ar離子源的Ar離子相對(duì)束流與離子能量的關(guān)系 曲線。離子源陽(yáng)極電壓為120V情況下Ar離子相對(duì)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(cè)量離子源陽(yáng)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(cè)量離子平均能量隨陽(yáng)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。請(qǐng)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(cè)量裝置 的結(jié)構(gòu)剖視示意圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明離子束流密度和能量的同步測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)濾器4的半圓形位置設(shè)置碗形電子接收器7，在離子過(guò)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(yáng)離子接收器6，該離子過(guò) 濾器4接地，但與所述的陽(yáng)離子接收器和電子接收器絕緣，在該采集筒2內(nèi) 兩個(gè)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(guò)濾器4內(nèi)建立恒定的可調(diào)的勻強(qiáng)磁 場(chǎng)3，所說(shuō)的陽(yáng)離子接收器6經(jīng)第一電阻8和第一毫安表9接地，所說(shuō)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(lái)避免 磁場(chǎng)對(duì)離子束的干擾，保證正常測(cè)量。磁場(chǎng)3:由裝置前后兩個(gè)面的電磁線圈產(chǎn)生，用以改變粒子運(yùn)動(dòng)方向，使陽(yáng)離子和電子分別向左右兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，分離后分別由接收器捕捉。離子過(guò)濾器4:由金屬片圍繞而成，完全環(huán)繞著陽(yáng)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(lái)濾除不需要的陽(yáng)離子。電磁線圈5:由裝置前后兩個(gè)面的電磁線圈構(gòu)成亥姆霍茲線圈，外接直流電源，通過(guò)調(diào)節(jié)該電源電壓，產(chǎn)生可調(diào)的恒定的勻強(qiáng)磁場(chǎng)3。陽(yáng)離子接收器6由直徑2mm的金屬片制成，與離子過(guò)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(yáng)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(guò)
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(cè)量時(shí)進(jìn)行分壓，起到保護(hù)電路的作用。第一毫安表9通過(guò)測(cè)量電路中的電流，得出經(jīng)流的陽(yáng)離子數(shù)量。第二電阻10:用以在測(cè)量時(shí)進(jìn)行分壓，起到保護(hù)電路的作用。 第二毫安表ll，通過(guò)測(cè)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(cè)量流程是將本發(fā)明裝置的引流孔1正對(duì)著待測(cè)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(chǎng)3的作用下，在采集筒2內(nèi) 的陽(yáng)離子和電子分別獲得兩個(gè)方向相反的運(yùn)動(dòng)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(yáng)離子向左運(yùn)動(dòng)，其中一部分被離子過(guò)濾器4過(guò)濾掉， 只有滿足一定運(yùn)行軌道半徑的陽(yáng)離子才能被陽(yáng)離子接收器6所捕獲，通過(guò)對(duì) 運(yùn)動(dòng)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(yáng)離子流密度，我們將兩表示數(shù)值相比定義為相對(duì)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(chǎng)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(chǎng)3，使第一毫安表9的示數(shù)，經(jīng)過(guò)由小 到大然后又變小的過(guò)程，即可捕捉到全部能量范圍情況，最后通過(guò)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(duì)離子源進(jìn)行了測(cè)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(shí)對(duì)離子能量和束流密度進(jìn)行測(cè)量?？梢?同時(shí)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(cè)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(cè)量。本發(fā)明裝置使用簡(jiǎn)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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)濾器(4)的半圓形位置設(shè)置碗形電子接收器(7)，在離子過(guò)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(yáng)離子接收器(6)，該離子過(guò)濾器(4)接地，但與所述的陽(yáng)離子接收器和電子接收器絕緣，在該采集筒(2)內(nèi)兩個(gè)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(guò)濾器(4)內(nèi)建立恒定的可調(diào)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)(3)，所說(shuō)的陽(yáng)離子接收器(6)經(jīng)第一電阻(8)和第一毫安表(9)接地，所說(shuō)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(cè)量裝置，其特 征在于所述的陽(yáng)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(guò)濾器(4)的斜邊的兩側(cè)對(duì)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(cè)量裝置，其特征 在于所述的兩個(gè)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(cè)量裝置，通過(guò)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行陽(yáng)離子和電子的分離電子通過(guò)電子接收器進(jìn)行采集，采集的電流與該裝置對(duì)應(yīng)捕獲面積的比值即反映了束流密度，而陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子接收器進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)陽(yáng)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(shí)對(duì)離子能量和束流密度進(jìn)行測(cè)量?？梢酝瑫r(shí)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(jiǎn)單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)C23C14/54GK101130858SQ200710046649
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所