一种高分辨率高压离子源的多级电极系统及其装配方法与流程

本技术涉及高压离子源，尤其是一种高分辨率高压离子源的多级电极系统及其装配方法。

背景技术：

1、以聚焦离子束（focused ion beam，fib）系统为代表的高分辨离子束设备需要同时实现亚纳米级成像分辨率与精细加工能力，其性能上限高度依赖高压离子源引出阶段的束流品质。

2、高压离子源的功能在于通过强电场从尖端发射离子并形成初始束流，目前高压离子源普遍采用多级电极结构，比如最常见的三级电极结构包括依次级联的离子源极、引出极和地电极。各级电极上分别开设孔径相同的中心通孔，离子从发射尖端引出后依次穿过各电极的中心通孔完成初步成形，通过多级电极的电位组合与几何配置，可构建出加速-聚焦场分布，实现稳定的离子束流引出。

3、高压离子源的多级电极之间的同轴度会直接影响离子束流品质，但是由于高压离子源的多级电极结构装配通常采用封闭式叠层结构，导致多级电极装配时调节同轴度的难度较大。目前主流的做法是借助复杂的三坐标打点及外部辅助工装进行装配，但是多级电极依靠外部法兰叠加，极易引入机械加工与装配的累积公差，且外部机械找正通常无法直观反映多级电极中心通孔的真实相对位置，再加上为了满足高压绝缘要求，电极之间空间跨度较大，进一步增加了内部极小孔径精密对中的难度。上述限制都导致现有高压离子源的多级电极之间的同轴度不够理想，影响了高压离子源引出的离子束流的发散角和传输效率，成为制约国产高分辨离子束设备向更高性能发展的关键瓶颈之一。

技术实现思路

1、本技术针对上述问题及技术需求，提出了一种高分辨率高压离子源的多级电极系统及其装配方法，本技术的技术方案如下：

2、第一方面，一种高分辨率高压离子源的多级电极系统，该高分辨率高压离子源的多级电极系统包括沿着离子束流引出方向依次设置的多个电极；

3、每个电极中心处分别开设通孔且通孔中心与电极中心重合，各个电极中心均位于离子束流轴线上，且沿着离子束流引出方向设置的各个电极上的通孔的孔径依次增大以形成无遮挡的光学视场通道；

4、离子源极位于沿着离子束流引出方向的最前级，沿着离子束流引出方向位于离子源极后级的各级电极的迎流面均朝离子源极方向凸起。

5、其进一步的技术方案为，高分辨率高压离子源的多级电极系统包括沿着离子束流引出方向依次设置的离子源极、引出极和地电极，离子源极中心开设的第一通孔的孔径、引出极中心开设的第二通孔的孔径、地电极中心开设的第三通孔的孔径满足；

6、引出极的迎流面朝离子源极方向凸起，形成以引出极中心为顶点、以至少部分迎流面为侧面的圆锥形结构；

7、地电极的迎流面朝离子源极方向凸起，形成以地电极中心为顶点、以至少部分迎流面为侧面的圆锥形结构。

8、其进一步的技术方案为，引出极的迎流面圆锥形结构中侧面母线与底面之间的夹角取值范围为20°~70°，地电极的迎流面圆锥形结构中侧面母线与底面之间的夹角取值范围为20°~70°。

9、其进一步的技术方案为，引出极中心开设的第二通孔与离子源极中心开设的第一通孔之间的孔径比例在第一比例范围内，地电极中心开设的第三通孔与引出极中心开设的第二通孔之间的孔径比例在第二比例范围内。

10、其进一步的技术方案为，第一比例范围为，第二比例范围为。

11、其进一步的技术方案为，离子源极中心开设的第一通孔的孔径的取值范围为，引出极中心开设的第二通孔的孔径的取值范围为，地电极中心开设的第三通孔的孔径的取值范围为。

12、一种高分辨率高压离子源的多级电极系统装配方法，用于装配如第一方面的多级电极系统，该高分辨率高压离子源的多级电极系统装配方法包括：

13、分别制作得到包含离子源极在内的多个电极，每个电极中心处分别开设通孔且通孔中心与电极中心重合，沿着离子束流引出方向设置的各个电极上的通孔的孔径依次增大，除离子源极之外的其他电极的迎流面均凸起；

14、将离子源极固定装配到高分辨率高压离子源中后，沿着离子束流引出方向依次将其他各个电极固定装配到高分辨率高压离子源中，在固定装配每个电极时，将电极凸起的迎流面朝向离子源极所在侧，经由当前电极及其前级电极上的通孔形成的无遮挡光学视场通道，将当前电极中心调节至对准离子源极中心以位于离子束流轴线上后进行固定装配。

15、其进一步的技术方案为，制作得到的多个电极包括离子源极、引出极和地电极，离子源极中心开设的第一通孔的孔径、引出极中心开设的第二通孔的孔径、地电极中心开设的第三通孔的孔径满足；沿着离子束流引出方向依次将其他各个电极固定装配到高分辨率高压离子源中包括：

16、将离子源极固定装配到高分辨率高压离子源中后，将引出极的迎流面朝向离子源极，从引出极相较于离子源极的另一侧透过引出极上开设的第二通孔，经由引出极中心的第二通孔与离子源极中心的第一通孔形成的光学视场通道，调节引出极中心至与离子源极中心对准后，固定装配引出极；

17、将引出极固定装配到高分辨率高压离子源中后，将地电极的迎流面朝向引出极，从地电极相较于引出极的另一侧透过地电极上开设的第三通孔，经由地电极中心的第三通孔与引出极中心的第二通孔形成的光学视场通道，调节地电极中心至与引出极中心对准后，固定装配地电极。

18、其进一步的技术方案为，分别制作得到离子源极、引出极和地电极包括：

19、确定离子源极采用平板电极结构，引出极采用以引出极中心为顶点、以至少部分迎流面为侧面的圆锥形结构，地电极采用以地电极中心为顶点、以至少部分迎流面为侧面的圆锥形结构；

20、根据不同电极中心通孔之间的光学视场通道的最低目视张角，确定孔径、孔径、孔径；

21、在高分辨率高压离子源的工作电压以及三个电极上通孔孔径的约束下，对引出极中圆锥形结构的侧面母线与底面之间的夹角以及地电极中圆锥形结构的侧面母线与底面之间的夹角进行仿真优化，分别得到离子源极、引出极和地电极的结构参数；

22、按照离子源极的结构参数加工制作并在电极中心开设具有孔径的第一通孔得到离子源极，按照引出极的结构参数加工制作并在电极中心开设具有孔径的第二通孔得到引出极，按照地电极的结构参数加工制作并在电极中心开设具有孔径的第三通孔得到地电极。

23、其进一步的技术方案为，对引出极中圆锥形结构的侧面母线与底面之间的夹角以及地电极中圆锥形结构的侧面母线与底面之间的夹角进行仿真优化包括：

24、以夹角和夹角作为待优化变量，建立高分辨率高压离子源的多级电极系统的仿真模型；

25、根据高分辨率高压离子源的工作电压下的真空绝缘耐压临界场强条件，确定离子源极、引出极、地电极在离子束流引出方向上的轴向间距范围；

26、以离子源极、引出极、地电极之间的轴向间距范围为约束，利用仿真模型在、的夹角取值范围进行带电粒子束流动力学仿真，确定束流引出区在不同夹角组合下的静电势等势面弯曲曲率，并确定使得静电势等势面弯曲曲率达到最佳会聚补偿状态的夹角组合。

27、本技术的有益技术效果是：

28、本技术公开了一种高分辨率高压离子源的多级电极系统及其装配方法，该多级电极系统中沿着离子束流引出方向设置的各个电极上的通孔的孔径依次增大以形成无遮挡的光学视场通道，使得在装配多级电极时可以经由该光学视场通道实现多电极通孔的非接触式可视化精密对位调节，同时将离子源极各后级电极的迎流面改为朝离子源极方向凸起结构，利用凸起迎流面的倾斜导电边界对空间电势分布进行重新整形，以克服离子源极各后级电极中心通孔孔径增大导致的束流发散副作用。本技术通过改进多级电极中心通孔孔径尺寸，使得该多级电极系统具备非接触式光学检测对中能力，能够提高电极装配后的同轴度，再结合迎流面凸起结构重新整形空间电场，能够降低离子束流的发射度并减小发散角，实现高密度离子束流的高质量聚焦引出。

29、该多级电极系统中引出极和地电极的迎流面均采用以电极中心为顶点、以至少部分迎流面为侧面的圆锥形结构，电极中心通孔边缘与离子源极最近以限定核心引出间隙，保证足够的聚焦电场强度，电极迎流面从电极中心通孔向外侧斜下方延伸退缩，使得电极的外围主体与周边高压结构件之间的空间距离逐级增大，在不增加轴向整机尺寸的前提下，极大地扩展了外围高压绝缘空间与表面爬电距离，从而在保证中心区域具备高电场强度的同时，利用几何退缩自然扩展了外围的高压绝缘避让空间，兼顾高压绝缘可靠性。