CN2053796U - 宽束冷阴极离子源 - Google Patents

Abstract

本实用新型是宽束冷阴极离子源，用于薄膜离子束辅助淀积的装置，其主要部件是冷阴极、阳极和一个以上多孔引出栅组成的放电室，放电室处于永磁体形成的磁场中，该离子源可安装于各类真空镀膜机中，具有离子束束流密度和离子能量调节范围大，束径大，束流分布均匀，寿命长，性能受工作气体种类影响小。

本实用新型结构简单，制造容易，使用方便，并广泛使用于铝、银、金、硫化锌、氟化镁及多种氧化物薄膜的离子束辅助淀积，比用常规工艺制得的薄膜强度高，化学稳定性和光学稳定性优良。

Description

本实用新型涉及薄膜辅助淀积装置，用于薄膜的离子束辅助淀积的宽束冷阴极离子源，包括冷阴极、阳极、永磁体、多孔引出栅等组成。

目前在离子束辅助淀积技术中使用的宽束离子源多为考夫曼（Kaufman）离子源，有关考夫曼离子源的技术可在美国专利4，446，403（1984年）号等文献上见到。其优点是：产生的离子能量和束流密度可调节范围大，离子束径大，离子束束流密度分布均匀等；不足之处是：由于用钨丝等作为阴极，阴极的工作寿命较短，如使用氩气为工作气体时，阴极寿命约一百小时；而使用氧气为工作气体时，阴极寿命缩短至十几小时甚至几小时；同时，离子源的工作特性在使用不同工作气体时，也有较大变化，所以，考夫曼离子源不能完全满足离子束辅助淀积技术的要求。

在英国VACUUM杂志1986年第11期897页上介绍了几种用于离子注入机及加速器等设备中的小型细束冷阴极离子源，它们具有结构简单，可使用多种工作气体稳定工作，阴极寿命长等优点。但由于它们都是细束引出，离子束径和束流密度分布等性能都不能满足离子束辅助淀积的要求。

本实用新型的目的为克服现有技术不足，设计一种寿命长、能量调节范围大、离子束束流密度分布均匀能满足离子束辅助淀积技术要求的宽束冷阴极离子源。

本实用新型的构思：为实现上述目的采用与细束冷阴极离子源相同的冷阴极潘宁（Penning）放电原理来产生等离子体，所以阴极寿命很长，使用多种工作气体时放电都很稳定；为获得较大的离子束径和均匀的离子束束流密度分布，采用了较大径向尺寸的阳极和多孔栅离子引出系统，并对磁路进行合理设计，保证在大尺寸阳极内有足够强度的磁场，以便放电产生的等离子体密度较大，相应地，得到的离子束束流密度也较大。

本实用新型宽束冷阴极离子源由冷阴极［1］、阴极座［6］、阳极［2］、永磁体［5］和一个以上的多孔引出栅［3］、［4］组成的放电室，放电室内的杂散磁场是由置于放电室周围的钴合金永磁体［5］所产生。

本实用新型阴极采用块状材料制成，可选用多种形状。材料可为石墨、铍、钛、钽等。

阳极应有足够的径向尺寸10～200mm，以保证在整个多孔引出栅范围内，都有较高的等离子体密度。阳极可选用铜、石墨、不锈钢等材料制成。根据需要阳极可有多种形状，如截面为园形，椭园形或多边形的柱状或锥状等。

为保证大尺寸的放电室内有足够强度的磁场以产生高密度等离子体，需选用合适的永磁体及对磁路进行合理地设计。永磁体选用钴合金材料，磁路设计应根据所选的永磁材料和阳极形状及尺寸进行，原则是保证大尺寸放电室内有足够强度的磁场，磁场强度在大的阳极范围内高于280高斯。为此，磁路可设计为由永磁体［5］、阴极座［6］、极靴［12］组成，或由永磁体［5］、阴极座［6］组成等多种形式。

本实用新型可由阴极［1］、阳极［2］、多孔引出栅［3］、［4］构成放电室，其阳极径向尺寸17mm，截面为园形的柱状、采用石墨制成。离子束引出系统为两个多孔引出栅。永磁体［5］紧贴外壳［11］放置；完整的磁路由阴极座［6］、极靴［12］与永磁体［5］共同组成，这样的磁路可保证大尺寸阳极［2］内有强度大于280高斯的磁场。工作气体通过充气孔［7］进入放电室。

本实用新型的永磁体材料可选用铝镍钴、杉钴或杉镨钴等，这些材料都有良好的磁性能。

本实用新型的优点：

将宽束冷阴极离子源用于多种金属膜、介质膜层的离子束辅助淀积，得到了优良的结果。宽束冷阴极离子源产生的离子束束径可满足在多种真空镀膜机中用于离子束辅助淀积；该源产生的离子束能量和离子束束流密度可调范围大，适用于铝、银、金、硫化锌、氟化镁及多种氧化物薄膜的离子束辅助淀积，化学稳定性和光学稳定性显著改善，这些薄膜在光学技术中有广泛的用途；该源在正常放电进行离子束辅助淀积的情况下更换氧气、氩气、氧、氩混合气体作为工作气体时，工作状态变化很小；用氧气等反应性气体工作时，该源的阴极能长时间稳定工作，寿命不受气体种类影响。

本实用新型的附图说明如下：

［1］－阴极，［2］－阳极，［3］、［4］－多孔栅，［5］－永磁体，［6］－阴极座，［7］－充气孔，［8］－阳极支撑杆，［9］－绝缘套，［10］－阳极固定环，［11］－外壳，［12］－极靴，［13］－绝缘环。

实施例：

1、本实用新型按图1实验：

冷阴极［1］通过紧配合固定在阴极座［6］上；用螺钉将阳极［2］固定在阳极固定环［10］中，阳极为截面是园形的柱状，内径17mm，用石墨制成；阳极支撑杆［8］一端通过螺纹与阳极固定环［10］连接，另一端通过绝缘套［9］与阴极座［6］相连，通过调节阳极支撑杆［8］长度来调整阳极端面与阴极端面的平行并保持一定距离；阴极座［6］通过螺纹与外壳［11］连接；极靴［12］焊接在外壳［11］上；永磁体［5］紧贴外壳［11］放置，其长度刚好保证其两端与阴极座［6］和极靴［12］的端面接触；离子束引出系统使用两个多孔引出栅，多孔栅［3］直接用螺钉固定在极靴［12］上；多孔栅［4］通过绝缘环［13］固定在极靴［12］上；应保证两个多孔栅相平行，两者的中心法线与阳极［2］的中心线相重合。永磁体材料为铝镍钴，在阴极［1］，阳极［2］，多孔栅［3］、［4］组成的放电室内，磁场强度大于280高斯。

使用时，将本实用新型宽束冷阴极离子源安装在DMDE450型真空镀膜机内，进行薄膜的离子束辅助淀积，薄膜材料选用硫化锌，基底为K9光学玻璃，真空度达1×10^－5τ后，将氩气充入离子源到真空度为5×10^－5τ，使离子源放电产生离子，首先用能量为1000电子伏特，束流密度为80μA／cm²的离子束轰击基底一段时间，然后把离子能量降至600电子伏特，束流密度降为40μA／cm²，继续轰击基底，同时蒸发ZnS，待ZnS薄膜达到一定厚度后关闭离子源并停止蒸发ZnS。这样制得的ZnS薄膜，膜层强度是普通热蒸发淀积所得ZnS膜层强度的十倍以上，化学稳定性也成倍提高。

用本实用新型宽束冷阴极离子源辅助淀积23层ZnS，MgF₂滤光片时，交替使用氩气和氧气作工作气体，连续工作两个多小时，离子源工作稳定，工作状态变化很小；制成的滤光片膜层强度是普通热蒸发滤光片膜层的四倍，滤光片的中心波长在暴露于大气后的漂移小于十埃，光学稳定性明显提高。

Claims (3)

1、一种宽束冷阴极离子源，由冷阴极[1]，阴极座[6]，阳极[2]、永磁体[5]和一个以上的多孔引出栅[3]、[4]组成，其特征在于采用阳极径向尺寸10～200mm，截面为园形、椭园形和多边形的柱状或锥状；离子束引出系统由一个以上的多孔引出栅构成；阳极、冷阴极和多孔栅构成放电室；放电室周围放置钴合金永磁体。

2、根据权利要求1所述的宽束冷阴极离子源，其特征在于阳极的径向尺寸：17mm，截面为园形的柱状，离子束引出系统有两个多孔引出栅［3］、［4］。

3、根据权利要求1所述的宽束冷阴极离子源，其特征在于永磁体材料为铝镍钴、杉钴或杉镨钴。