CN1086853A - 材料表面改性用电子束蒸发金属离子源 - Google Patents

Abstract

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。

本发明由放电室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 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。

材料蒸汽的形成采用装在放电室内的聚焦电子 束加热系统，并采用横向引出离子束，实现了能对大 工件进行表面改性，不污染离子源，引出多种高熔点 材料强离子束流的发明目的。

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，由图一示出。

该离子源主要由放电室1、阴极2、坩锅3、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2与坩锅3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。

这种结构的源存在的问题是：

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。

本发明提出的是一种新型的强流金属离子源，它的基本原理是将聚焦电子束蒸发技术引入离子源放电室内，使金属的蒸发和游离均在放电室内完成。放电室1是电子轰击式放电室，放电由两部分组成，第一部分放电在难熔阴极灯丝3与放电室壁1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，将放电室壁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灯丝3与坩锅6之间进行，坩锅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，轰击坩锅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、加速栅12组成）引出，引出的离子可根据需要调节二个放电过程和坩锅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，其特征是：

1.离子采用横向引出，使源具有实用价值。

2.采用聚焦电子束使在坩锅中心形成高密度电子束从而产生局部高温，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，使横向引出成为可能，且形成会切磁场，在会切区域形成高密度等离子区，在此处引出高密度离子，使引出束流密度增强。

4.阴极在放电室上端，扩大了游离区，从而扩大了束的引出区域，材料表面改性用电子束蒸发金属离子源其原理性结构见图二所示：

它由放电室1、阳极2、阴极3、磁场线圈4及5、坩锅6、放电室底座7、绝缘子8、屏蔽罩9、坩锅座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，阴极由钨丝制成，绝缘子由耐高温绝缘材料制成，磁场线圈为水冷铜线圈，热屏蔽为钼或钽制成，其余材料均为高纯、高强石墨制成，（坩锅可根据需要分别由钨，钽及石墨等制成）

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/cm²，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仅结合力强，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，这是其他方法所不能实现的，与离子束增强沉积相比它保留了它的优点，而克服了沉积速率低，不易加工大的工件等主要缺点，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，它克服了所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。

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

坩锅直径为  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  50-150v

可引出  W，Ta，Mo，Cr，Ti，B等离子。

Claims (5)

1、一种电子束蒸发金属离子源，它由放电室，阳极，阴极(由顶部放入)，引出系统(双栅及三栅系统)，坩锅及上下两个磁场线圈组成，其特征是材料蒸汽的形成采用装在放电室内的聚焦电子束加热系统。

2、按权利要求1所述的电子束蒸发金属离子源，其特征是采用横向引出离子束。

3、按权利要求1所述的电子束蒸发金属离子源，其特征是放电室内磁场由两个单独线圈组成，在放电室内形成会切场。上部磁场起阻止阴极发射电子直接到达阳极的作用，下部磁场除此作用外，主要起聚焦电子束作用。

4、按权利要求1所述的电子束蒸发金属离子源，其特征是阴极由放电室顶部放入，坩锅放在下部。

5、按权利要求1所述的电子束蒸发金属离子源，其特征是放电室与坩锅之间用带有屏蔽罩的绝缘子隔开。

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