CN1035780C - 材料表面改性用电子束蒸发金属离子源 - Google Patents
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Abstract
材料表面改性用电子束蒸发金属离子源具有放电室(1)，阳极(2)，阴极(3)，磁场线圈(4)及(5)，坩埚(6)，放电室底座(7)，绝缘子(8)，屏蔽罩(9)，坩埚底座(10)，屏栅(11)，加速栅(12)，热屏蔽(13)，(14)及(15)，阴极杆(16)，阴极绝缘子(17)，阴极盖(18)，放电区(19)。它保留了离子束增强沉积的优点，克服了沉积速度低，不易加工大的工件等缺点。与其它镀膜方法相比，它具有高的结合强度和膜层质量(高能离子形成过渡层，低能离子辅助沉积)，与电弧离子镀相比，它克服了存在的粗颗粒沉积和结合力差二大缺陷。而在沉积速率与处理规模上可与之相比拟。
Description
材料表面改性用电子束蒸发金属离子源属于离子束对材料表面改性装置技术领域。
IEPC-91-065发表的是美国科罗拉多州立大学在空间用推力器基础上发展起来的金属离子源。由图1给出。
该离子源主要由放电室1，阴极3，坩埚6，引出系统4及磁场线圈5组成。在该离子源中金属原子的生成与游离均在同一放电室内进行，金属的蒸发通过阴极3与坩埚6之间的放电加热来实现。源的阴极放在放电室中部，磁场是一个整体线圈，放在源的放电室外部。离子束流向上引出，用这种方法引出铜和钛二种离子束流。
这种结构的源存在下述缺点：
1.束流只能向上引出，处理样品必须放在源的上部，不易处理大的工件。源在底部易受污染，不能长期工作。
2.引出离子种类因受石墨汽化温度限制，材料汽化温度必须在2500℃以下。高熔点材料如Ta，W等离子无法引出。
本发明目的是提供一种能处理大的工件，离子源不受污染，能引出周期表上所有高熔点材料离子束流的材料表面改性用的金属离子，用于离子注入及金属薄膜快速沉积的强流电子束蒸发金属离子源。
本发明一种材料表面改性用电子束蒸发金属离子源的结构如图2所示。
它由放电室(1)，阳极92)，阴极(3)，磁场线圈(4)及(5)，坩埚(6)，放电室底座(7)，绝缘子(8)，屏蔽罩(9)，坩埚底座(10)，屏栅(11)，加速栅(12)，热屏蔽(13)，(14)及(15)，阴极杆(16)，阴极绝缘子(17)，阴极盖(18)组成，(19)为放电区域。
下面结合图2详细说明本发明连接与工作过程：
放电室(1)与阳极(2)均为筒状，阳极(2)放在放电室(1)内，两者用螺钉连接，阴极(3)从放电室(1)的顶部放入，并与放电室(1)及阳极(2)绝缘；由屏栅(11)及加速栅(12)组成的束流引出系统与放电室(1)相互垂直布置，离子束水平引出，屏栅(11)与放电室(1)用法兰或螺钉连接；坩埚(6)放在阴极(3)下方，它与放电室(1)由带有屏蔽罩(9)的绝缘子(8)隔开，磁场线圈(4)放在放电室(1)上部，磁场线圈(5)放在放电室(1)下部与此两线圈产生相反的磁场，在放电室内形成会切磁场。
本发明一种材料表面改性用电子束蒸发金属离子源的基本原理是将聚焦电子束蒸发技术引入离子源，使金属的蒸发和游离均在放电室内完成。放电由两部分组成：第一部分在难熔阴极(3)的灯丝与阳极2之间进行，灯丝发射的电子与进入的气态原子碰撞游离而产生放电，将阳极(2)及放电室(1)加热到一定温度，以防止蒸发的金属蒸汽凝结并游离金属原子；另一部分放电是在阴极(3)灯丝与坩埚(6)之间进行，坩埚(6)为正极，从放电形成的等离子体中引出电子，由磁场线圈(5)形成的磁场聚焦成束，轰击坩埚(6)内的材料，蒸发形成的蒸汽进入放电区域(19)被离化，离化生成的离子被引出系统[由屏栅(11)和加速栅(12)组成]，引出的离子可根椐需要调节两个放电过程和坩埚(6)的温度，分别引出气体离子，金属与非金属离子，以及同时引出固体元素和气体元素离子。
阴极(3)由钨或钽制成，热屏蔽(13)、(14)及(15)由钼或钽制成，放电室(1)、阳极(2)、放电室(7)、坩锅底座(10)由高纯高强石墨制成，阴极(3)由钨或钽制成，坩锅(6)根据需要可分别由钨，钽及石墨制成，磁场线圈(4)和(5)为水冷铜线圈，其余材料均由高纯高强石墨制成
本发明的优点是：
1.由屏栅(11)及加速栅(12)组成的束流引出系统与放电室(1)相互垂直布置，使离子束可水平引出。
2.采用聚焦电子束使在坩埚(6)的中心形成高密度电子束，在该区域产生局部高温，因而能汽化周期表上的各种难熔元素以及所有与真空环境相容的材料(包括C、W、Ta等)，扩大了离子源的应用范围。
3.将磁场分为两部分，在结构上由上下两个单独线圈(4)及(5)组成；由它产生的相反方向磁场，在放电室内构成会切形磁场，在会切区域形成高密度等离子区(19)，在此处引出高密度离子，使引出束流密度大大增强。并且磁场线圈由单一整体分为(4)及(5)上下两个线圈，使离子束水平引出成为可能。
4.阴极3放在放电室上端，扩大了游离区，从而扩大了束的引出区域。
这种源具有多种功能，可以用于对材料表面单纯以气态离子进行轰击，以实现表面清洗及气态离子注入，可以以金属离子轰击材料表面进行各种金属离子注入，可以用各种离子束在材料表面进行直接低能薄膜沉积，也可以在源内通入反应气体在材料表面形成各种化合物镀层。
这种离子源的最大特点是它既可以在高放电电压(几百伏)，小放电电流(几安)，也可在低放电电压(几十伏)，大放电电流(几十安)下工作，因此可以实现先在高引出能量(高电荷态)下在基体表面形成共混区(由于到达基体全部粒子均为带电高能<10-20keV>粒子，这种粒子的注入效应将在镀层与基体界面处形成基体和镀层材料两种成分共存的过渡区，使镀层与基体具有高结合力)。然后在低引出能量(低电荷态，低能几百电子伏)下快速沉积(由于引出束流密度高达几毫安/厘米，因此沉积速率可达几十埃/秒)从而形成具有高结合力的金属或化合物膜层。这种方法形成的膜层不又结合力强，而且由于在成膜过程中带能粒子的不断轰击，膜的致密度高，还可消除或改善膜的内应力，这是其它方法所不能实现的。以引出能量1-4keV，束流30mA的离子源为例：
引出束径为 4cm
放电室直径为 5cm
坩埚直径为 5cm 深度为2.0cm
放电电压为 100-200V
放电电流为 5-10A
电子束流为 5-20A
电子束引出电压为 5-150V
可引出W，Ta，Mo，Cr，Ti，B等离子。
Claims (2)
1.一种材料表面改生用电子束蒸发金属离子源，具有放电室(1)、阴极(3)、坩埚(6)，其特征在于还具有阳极(2)、磁场线圈(4)及(5)、放电室底座(7)、绝缘子(8)、屏蔽罩(9)、坩埚底座(10)、屏栅(11)、加速栅(12)、热屏蔽(13)、(14)及(15)、阴极杆(16)、阴极绝缘子(17)、阴极盖(18)、放电区域(19)，其相互配置及连接关系为：放电室(1)与阳极(2)均为筒状，阳极(2)放在放电室(1)内，两者用螺钉连接，从放电室(1)的顶部放入，并与放电室(1)及阳极(2)绝缘；由屏栅(11)及加速栅(12)组成的束流引出系统与放电室(1)相互垂直布置，离子束水平引出，屏栅(11)与放电室(1)用法兰或螺钉连接；坩埚(6)放在阴极(3)下方，它与放电室(1)由带有屏蔽罩(9)的绝缘子(8)隔开；磁场线圈(4)放在放电室(1)上部，磁场线圈(5)放在放电室(1)下部，此两线圈产生方向相反的磁场，在放电室内形成会切形磁场。
2.按权利要求1所述材料表面改性用电子束蒸发金属离子源，其特征在于阴极(3)由钨或钽丝制成，热屏蔽(13)，(14)及(15)由钼或钽制成，放电室(1)，阳极(2)，放电室底座(7)，坩埚底座(10)由高纯高强石墨制成，坩埚(6)根据需要可分别由钨、钽及石墨制成，磁场线圈(4)和(5)为水冷铜线圈。
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