CN1296515C - 自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置 - Google Patents

Abstract

一种自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，用于材料表面改性领域。本发明包括：注入元素蒸发系统，注入元素导入系统，离化和注入或者注入且沉积系统，真空系统，注入元素蒸发系统连接到注入元素导入系统，注入元素导入系统再连接到离化和注入或者注入且沉积系统，离化和注入或者注入且沉积系统位于真空系统内部。本发明使得注入的整个过程都比较稳定且可以最大幅度降低对真空系统的污染；利用自辉光产生等离子体，不再需要额外的等离子激发装置，节约成本，利用空心阳极，大面积阴极技术形成聚焦电场，电子向阳极的聚焦，提高了辉光放电的离化率，提高了注入或者注入且沉积的效率。

Description

自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置

技术领域

本发明涉及一种用于材料技术领域的注入或者注入且沉积的装置，具体是一种自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置。

背景技术

美国Conrad教授提出了离子体基离子注入或者注入且沉积(全方位离子注入)的方法，该方法将工件放置在等离子中，可对大尺寸、不规则复杂形状的工件进行的表面改性。

经文献检索发现，Conrad等人申请美国专利，专利号：4764394，专利名称：等离子体源离子注入方法与装置(Method and apparatus for plasma source ionimplantation)，该专利技术是：把物体置于真空容器内，然后采用不同的离子源产生等离子体：如热灯丝电子激发、射频激发、微波激发、电磁振荡、真空电弧、磁控溅射等多种形式的等离子源形成等离子体后，同时在工件上施加高负偏压进行离子注入。但是，目前该技术的使用中还存在有一些缺陷：首先，真空壁采用复杂的等离子体约束会切磁场结构，真空室成本高。第二，由于其等离子体的产生通常需要复杂的辅助设备：如热灯丝电子激发、射频激发、微波激发、电磁振荡、真空电弧、磁控溅射等，增加了离子注入的成本及操控复杂性；第三，不能适用于所有元素的等离子体化，特别是对于低电导率的固体材料如硫、磷以及硼、硅、锗等半导体和元素周期表中的IA和IIA族的多数低熔点、高化学活性的元素等，而这些物质中，特别是某些元素，有望被应用于生物、光学、电子的各个领域。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中所存在的上述不足和缺陷，提供一种自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，使其克服全方位离子注入或者注入且沉积的方法和装置不能对硫、磷等低电导率的固体材料以及一些低熔点或高蒸汽压的导电材料如钠、钙等元素进行有效等离子体化并进行注入的缺点。利用自辉光产生等离子体，不再需要额外的等离子激发装置，节约成本。不仅能够适用于低熔点、高蒸汽压元素，而且也可以用于气体或汽态物质中元素的等离子基离子注入或者注入且沉积，方法整个过程都比较稳定且可以最大幅度降低对真空系统的污染。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：注入元素蒸发系统，注入元素导入系统，离化和注入或者注入且沉积系统，真空系统。其连接关系为：注入元素蒸发系统连接到注入元素导入系统，为注入元素导入系统提供注入粒子，注入元素导入系统再连接到离化和注入或者注入且沉积系统，起到粒子传输管道的作用，离化和注入或者注入且沉积系统又连接到真空系统，依靠真空系统提供离子注入所需的真空环境。

所述的注入元素蒸发系统，对于低熔点高蒸汽压固态物质元素，包括：加热腔体、源加热装置、加热腔体外屏蔽罩、载气导入孔、蒸汽导出孔，加热腔体用来放置被加热的固态物质，源加热装置连接在加热腔体外部，提供加热的热量。源加热装置外部有加热腔体外屏蔽罩进行保护。为了方便在加热腔体中的固态物质蒸发后的蒸汽的导入，可以采用特定的气体如惰性气体作为载体气体，这时，加热腔体可以连接到一个载气导入孔，载体气体由载气导入孔导入。载气导入孔也可以连接到经过流量调节后的粒子馈送管道中。蒸发的蒸汽，以及注入或者注入且沉积的气态物质都可以通过一个连接在加热腔体上的蒸汽导出孔连接在注入元素导入系统上。在蒸汽导出孔外面，可以加上加热装置，以防止蒸汽的冷凝堵塞管道。该加热装置可以是独立的加热装置，也可以采用与加热腔体共用源加热装置。

所述的注入元素蒸发系统对于气态或者汽态注入物质，可以只是一个连接到注入元素导入系统的一个管道。

所述的注入元素导入系统包括一个流量调节装置和一个引入注入粒子的粒子馈送管道，流量调节装置连接到注入元素蒸发系统的蒸汽导出孔上流量调节装置可以是电动调节装置如质量流量计，也可以是手动流量调节装置如通过流量调节手柄进行调节的流量调节阀等。流量调节装置如流量调节阀外部可以根据蒸汽的冷凝情况外面加上独立的阀门加热装置，防止蒸汽的凝聚堵塞管道，对于不容易凝结的粒子，也可以不用。阀门加热装置可以是独立的，也可以是与注入元素蒸发系统的蒸汽导出孔或者其加热腔体使用一体的加热装置。流量调节装置如流量调节阀门的出口端连接到一个将粒子导入到注入腔体的粒子馈送管道上，通过该粒子馈送管道，将注入或者注入且沉积用粒子传送给到离化和注入或者注入且沉积系统。粒子馈送管道可以采用本身是绝热材料的材料，也可以采用金属粒子馈送管道。对于容易凝结的注入或者注入且沉积粒子，管道的外面可以采用粒子馈送管道绝热装置，外面或者管道本身也可以做成带有加热功能的管道，也可以直接在管道外部采用加热装置。当离化和注入或者注入且沉积系统位于真空系统内部时，粒子馈送管道或者粒子馈送管道的绝热装置可以通过法兰盘或者快卸法兰与真空室连接。依靠该系统，能够将在注入元素蒸发系统提供来的注入或者注入且沉积用的元素粒子在绝热的状态下导入到离化和注入或者注入且沉积腔体中。系统可以避免注入元素堵塞管道，或者沉积在导入的管壁而损失。

所述的离化和注入或者注入且沉积系统包括一个空心阳极，一个离化和注入或者注入且沉积腔体，工件靶台，工件，工件靶台支架。其连接关系为：该空心阳极连接到注入元素导入系统的粒子馈送管道上，或者附近。该系统能够将由注入元素导入系统提供过来的粒子依靠空心阳极和大面积阴极之间形成的聚焦电场离化，并在离化的同时获得加速，注入或者注入且沉积到工件表面。空心阳极连接到外部高压电源的正高压端。也可以直接采用导电的粒子馈送管道出口作为空心阳极。空心阳极的外面，是离化和注入或者注入且沉积腔体，导入的粒子在该腔体中被离化，加速，注入或者注入且沉积。离化和注入或者注入且沉积腔体中，放置一个比空心阳极的表面积大的导电或者局部导电的工件靶台作为阴极。在这种结构下，会在空心阳极附近形成一个电子富集区域，增强对传送过来的粒子的离化率。工件放在工件靶台上，工件靶台通过靶台支架，连接到外部高压电的负高压端。离化和注入或者注入且沉积系统连接到真空系统上，在真空系统中或者在离化和注入或者注入且沉积腔体的内部，可采用其他的辅助离化装置进行离化。

所述的真空系统是为整个注入过程提供一个真空环境。该真空系统可以是一个连接在真空泵排气口的大真空室，离化和注入或者注入且沉积系统位于其中，离化和注入或者注入且沉积系统也可以直接连接到真空排气装置上。

本发明工作时：固态物质经过加热，进入注入元素导入系统，通过流量调节与控制，导入的离化和注入或者注入且沉积腔体，依靠点状阳极和大面积阴极之间构成的聚焦电场，产生辉光等离子体放电，在高压注入电源的作用下，离子被加速注入到工件表面。整个表面改性过程中的真空度，由真空系统来维持。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：利用注入元素蒸发系统，克服全方位离子注入或者注入且沉积的方法和装置不能对硫、磷等低电导率的固体材料以及一些低熔点或高蒸汽压的导电材料如钠、钙等元素进行有效等离子体化并进行注入的缺点。装置也可以用于气体或汽态物质中元素的等离子基离子注入或者注入且沉积。处于大真空室中的离化和注入或者注入且沉积腔体结构，使得注入的整个过程都比较稳定且可以最大幅度降低对真空系统的污染；利用自辉光产生等离子体，不再需要额外的等离子激发装置，节约成本，利用空心阳极，大面积阴极技术形成聚焦电场，电子向阳极的聚焦，提高了辉光放电的离化率，提高了注入或者注入且沉积的效率。

附图说明

图1本发明整体结构示意图

图2本发明组成部分结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：注入元素蒸发系统1，注入元素导入系统2，离化和注入或者注入且沉积系统3，真空系统4。其连接方式是：注入元素蒸发系统1连接到注入元素导入系统2，注入元素导入系统2再连接到离化和注入或者注入且沉积系统3，离化和注入或者注入且沉积系统3又位于真空系统4内部。

对于低熔点高蒸汽压固态物质元素，注入元素蒸发系统1包括：加热腔体5、源加热装置6、加热腔体外屏蔽罩7、载气导入孔8、蒸汽导出孔9，其连接关系为：源加热装置6连接在加热腔体5外部，源加热装置6外部有加热腔体外屏蔽罩7。加热腔体5连接到一个载气导入孔8，载气由载气导入孔导入。加热腔体5通过蒸汽导出孔9连接在注入元素导入系统2，在蒸汽导出孔9外面，或者加上加热装置，该加热装置是独立的加热装置，或者与加热腔体共用源加热装置6。

对于本身就是气态或者汽态的注入物质注入元素蒸发系统1，是一个连接到注入元素导入系统2的管道。

所述的注入元素导入系统2包括一个流量调节装置10、粒子馈送管道12，流量调节装置10连接到注入元素蒸发系统1的蒸汽导出孔9上，流量调节装置10是电动调节装置或者是手动流量调节装置，流量调节装置10外部或者加上阀门加热装置11，阀门加热装置11是独立的，或者是与注入元素蒸发系统1的蒸汽导出孔9或者其加热腔体5使用一体的加热装置6，流量调节装置10的出口端连接到一个粒子馈送管道12上，通过该粒子馈送管道12与离化和注入或者注入且沉积系统3连接。

粒子馈送管道12材料采用绝热材料，或者采用金属粒子馈送管道，对于容易凝结的注入或者注入且沉积粒子，管道的外面采用粒子馈送管道绝热装置13，或者管道的外面或管道本身是带有加热功能的管道，或者直接在管道外部采用加热装置，当离化和注入或者注入且沉积系统3位于真空系统4内部时，粒子馈送管道12或者粒子馈送管道绝热装置13通过法兰盘或者快卸法兰14与真空系统4连接。

所述的离化和注入或者注入且沉积系统3包括一个空心阳极15，一个离化和注入或者注入且沉积腔体16，工件靶台17，靶台支架18，工件19，其连接关系为：空心阳极15连接到外部高压电源的正高压端(图中未给出)，空心阳极15的外面，是离化和注入或者注入且沉积腔体16，离化和注入或者注入且沉积腔体16中，设置一个比空心阳极15的表面积大的导电或者局部导电的工件靶台17作为阴极，工件靶台17是平面形状，或者是球面形状。工件19放在工件靶台17上，工件靶台17通过靶台支架18连接到外部高压电的负高压端(图中未给出)。

空心阳极15直接用粒子馈送管道12的出口来充当，或者用单独的空心阳极。

所述的真空系统4是为整个注入过程提供一个真空环境。该真空系统4是一个连接在真空泵排气口21的大真空室20，离化和注入或者注入且沉积系统3位于其中；或者离化和注入或者注入且沉积系统3直接连接到真空排气装置上(图中未给出)。

Claims (5)

1、一种自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，包括：注入元素蒸发系统(1)，注入元素导入系统(2)，离化和注入或者注入且沉积系统(3)，真空系统(4)，其特征在于，注入元素蒸发系统(1)连接到注入元素导入系统(2)，注入元素导入系统(2)再连接到离化和注入或者注入且沉积系统(3)，离化和注入或者注入且沉积系统(3)位于真空系统(4)内部，离化和注入或者注入且沉积系统(3)或者直接连接到真空排气装置上；对于低熔点高蒸汽压固态物质元素，注入元素蒸发系统(1)包括：加热腔体(5)、源加热装置(6)、加热腔体外屏蔽罩(7)、载气导入孔(8)、蒸汽导出孔(9)，其连接关系为：源加热装置(6)连接在加热腔体(5)外部，源加热装置(6)外部有加热腔体外屏蔽罩(7)，加热腔体(5)连接到一个载气导入孔(8)，加热腔体(5)通过蒸汽导出孔(9)连接在注入元素导入系统(2)，在蒸汽导出孔(9)外面，或者设置加热装置，该加热装置是独立的加热装置，或者与加热腔体(5)共用源加热装置(6)；对于本身就是气态或者汽态的注入物质注入元素蒸发系统(1)，是一个连接到注入元素导入系统(2)的管道；所述的离化和注入或者注入且沉积系统(3)包括一个空心阳极(15)，一个离化和注入或者注入且沉积腔体(16)，工件靶台(17)，靶台支架(18)，工件(19)，其连接关系为：空心阳极(15)连接到外部高压电源的正高压端，空心阳极(15)的外面，是离化和注入或者注入且沉积腔体(16)，离化和注入或者注入且沉积腔体(16)中，设置一个比空心阳极(15)的表面积大的导电或者局部导电的工件靶台(17)作为阴极，工件靶台(17)是平面形状或球面形状，工件(19)放在工件靶台(17)上，工件靶台(17)通过靶台支架(18)连接到外部高压电的负高压端。

2、根据权利要求1所述的自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，其特征是，所述的注入元素导入系统(2)包括一个流量调节装置(10)，流量调节装置(10)连接到注入元素蒸发系统(1)的蒸汽导出孔(9)上，流量调节装置(10)是电动调节装置或者是手动流量调节装置，流量调节装置(10)外部或者加上阀门加热装置(11)，阀门加热装置(11)是独立的，或者是与注入元素蒸发系统(1)的蒸汽导出孔(9)或者其加热腔体(5)使用一体的加热装置(6)，流量调节装置(10)的出口端连接到一个粒子馈送管道(12)上，通过该粒子馈送管道(12)与离化和注入或者注入且沉积系统(3)连接。

3、根据权利要求2所述的自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，其特征是，粒子馈送管道(12)材料采用绝热材料，或者采用金属粒子馈送管道，对于容易凝结的注入或者注入且沉积粒子，管道的外面采用粒子馈送管道绝热装置(13)，或者管道的外面或管道本身是带有加热功能的管道，或者直接在管道外部采用加热装置，当离化和注入或者注入且沉积系统(3)位于真空系统(4)内部时，粒子馈送管道(12)或者粒子馈送管道绝热装置(13)通过法兰盘或者快卸法兰(14)与真空系统(4)连接。

4、根据权利要求1所述的自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，其特征是，空心阳极(15)直接用粒子馈送管道(12)的出口来充当，或者用单独的空心阳极。

5、根据权利要求1所述的自辉光等离子体基离子注入或者注入且沉积装置，其特征是，所述的真空系统(4)是一个连接在真空泵排气口(21)的大真空室(20)，离化和注入或者注入且沉积系统(3)位于其中；或者离化和注入或者注入且沉积系统(3)直接连接到真空排气装置上。