專(zhuān)利名稱(chēng)：用于大面積輔助鍍膜的無(wú)柵離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于等離子體技術(shù)中的一種輔助鍍膜裝置。
中國(guó)專(zhuān)利CN862010756發(fā)表的在空間用推力器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的用于材料表面改性的高能寬束離子源，如


圖1所示，該離子源主要由放電室1，陰極3，陽(yáng)極2，離子引出系統(tǒng)4，磁場(chǎng)線圈及系統(tǒng)5組成。工作氣體進(jìn)入放電室，被電子轟擊、離化，形成等離子體。通過(guò)特殊布置的磁場(chǎng)提高電離效率及離子拔出效率。離子引出系統(tǒng)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，可以控制離子，并賦予高能量(幾千電子伏-100千電子伏)，該專(zhuān)利主要適用于高能寬束離子源離子束的材料改性，但對(duì)于光學(xué)鍍膜需要的輔助鍍膜離子源來(lái)說(shuō)該離子源能量太高(光學(xué)鍍膜需要小于200電子伏的離子能量)，離子輻照的均勻區(qū)太小(工業(yè)生產(chǎn)要求的輔助鍍膜均勻區(qū)為1000cm2而一般離子源只能產(chǎn)生幾十cm2的均勻區(qū))。
真空科學(xué)工藝雜志(J.Vac.Sci.Technol.A)10(4),1897(1992)發(fā)表的先進(jìn)的等離子源APS(Advanced Plasma Source)用于離子輔助鍍膜。該源具有大面積離子輔助鍍膜的優(yōu)點(diǎn)，但該等離子體源沒(méi)有采用特殊的磁場(chǎng)形狀來(lái)提高放電等離子體的效率及離子均勻性；也沒(méi)有能有效控制放電等離子體離子能量的措施。
本實(shí)用新型的目的在于提出一種包含有一放電室、陰極、陽(yáng)極、陰極發(fā)射體、陰極座、陰極加熱體、陽(yáng)極磁極靴、磁屏、陰極磁極靴、陰極加熱電極、陰極加熱導(dǎo)柱、進(jìn)氣均壓盤(pán)，陰極氧化鋁絕緣子，陽(yáng)極氧化鋁絕緣子和底板所組成的大面積輔助鍍膜的無(wú)柵離子源，它不但可以使光學(xué)鍍膜的損耗及吸收率大大降低，而且能在大直徑范圍內(nèi)生產(chǎn)均勻、低吸收、高質(zhì)量的光學(xué)膜，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案在于它包括有放電室、陰極、陽(yáng)極、陰極發(fā)射體、陰極座、陰極加熱體、陽(yáng)極磁極靴、磁屏、陰極磁極靴、陰極加熱電極、陰極氧化鋁絕緣子、陰極加熱導(dǎo)柱、進(jìn)氣均壓盤(pán)，陽(yáng)極氧化鋁絕緣子和底板所組成；其中放電室、水冷陽(yáng)極、磁極靴均呈圓筒狀，陽(yáng)極與磁屏間由螺絲固定，陰極為杯狀，它與陰極座嵌接，筒狀陰極加熱體中間切縫與陰極加熱導(dǎo)柱采用螺釘壓緊，陰極電源通過(guò)陰極加熱電極、陰極加熱導(dǎo)柱對(duì)陰極加熱體加熱，當(dāng)陰極被加熱到特定溫度(1500℃)以上即發(fā)射電子，筒狀陽(yáng)極在陽(yáng)極電源的作用下，在陰極附近建立起發(fā)射鞘層，陰極發(fā)射的電子經(jīng)過(guò)陽(yáng)極發(fā)射鞘層的加速，與進(jìn)氣口進(jìn)入的氬氣發(fā)生碰撞，形成等離子體；用磁場(chǎng)電源對(duì)繞在陽(yáng)極上的磁場(chǎng)線圈通電，產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)，通過(guò)陽(yáng)極磁極靴、磁屏、陰極磁極靴及放電室內(nèi)的環(huán)形磁場(chǎng)構(gòu)成磁回路。其中較強(qiáng)的磁場(chǎng)，是從陰極14出發(fā)到達(dá)陽(yáng)極磁極靴的那根磁力線，稱(chēng)為臨界磁力線。它決定了從陰極發(fā)出的高速電子所包絡(luò)的區(qū)域。本實(shí)用新型正是利用螺絲線圈5′，陽(yáng)極磁極靴、磁屏及陰極磁極靴，實(shí)現(xiàn)異形磁場(chǎng)，改造磁力線，提高放電效率，取得更大的均勻區(qū)。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1．利用電磁線圈、陽(yáng)極磁極靴、磁屏和陰極磁極靴構(gòu)成異形磁場(chǎng)，改變臨界磁力線CB的形狀，增加高速電子區(qū)的體積，減小其表面積從而得到更大的放電效率(放電電流與離子流到達(dá)比)；使臨界磁力線CB更貼近陽(yáng)極邊界，在陽(yáng)極前建立足夠的積分磁場(chǎng)；這樣就保護(hù)了高速電子，讓他們?cè)陉?yáng)極前反射回來(lái)，充分起電離作用；又使中性氣體在放電區(qū)停留時(shí)間均勻，從而使等離子體密度沿徑向更為均勻。
2．在無(wú)柵離子源陰極上施加屏極電壓，主動(dòng)控制等離子體電位，從而主動(dòng)控制參與輔助鍍膜的等離子體離子能量。如果不加屏極電壓，離子能量主要取決于陽(yáng)極電壓，也與磁場(chǎng)、氣壓有關(guān)；如果放電電流限定，則不能任意改變陽(yáng)極電壓；而改變磁場(chǎng)及氣壓來(lái)改變離子能量就很有限，不能方便地改變離子能量。離子能量是輔助鍍膜所需要改變的一個(gè)重要參數(shù)，特別是在預(yù)處理時(shí)需要較高的離子能量；在輔助鍍膜過(guò)程中要適時(shí)改變離子能量，施加屏極電壓就很必要。
3．利用間熱式的硼化鑭陰極發(fā)射電子，允許我們進(jìn)行含氧的反應(yīng)輔助鍍膜，并取得較好的陰極壽命(＞100小時(shí))。氧氣在放電室外與密集等離子體相互作用，氧被激化及電離，使含氧化合物的膜層更均勻，成分配比更符合理想化學(xué)配比。
圖1為已有技術(shù)的示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
現(xiàn)在結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的較佳具體實(shí)施例。本實(shí)用新型主要由放電室1、陽(yáng)極2、磁極靴3、陰極、陰極發(fā)射體14、陰極座15、陰極加熱體16、陽(yáng)極磁化靴17、磁屏18、陰極磁極靴19、氧進(jìn)氣管6、水冷陰極加熱電極7、鉬制陰極加熱導(dǎo)柱8、進(jìn)氣均壓盤(pán)9、陰極氧化鋁絕緣子10、陽(yáng)極氧化鋁絕緣子11和底板12所組成。其中，放電室1，水冷陽(yáng)極2，磁極靴17均為筒狀。陽(yáng)極2與磁屏18間用螺釘固定。陰極為杯狀硼化鑭，與陰極座15嵌接。筒狀石墨陰極加熱體16中間切縫，與鉬制陰極加熱導(dǎo)柱8用螺紋連接。水冷陰極加熱電極7與鉬制陰極加熱導(dǎo)柱8用螺紋連接。Vc陰極電源通過(guò)陰極加熱電極7，陰極加熱導(dǎo)柱8，對(duì)石墨陰極加熱體16加熱；待硼化鑭陰極14被加熱到溫度1500℃以上即發(fā)射電子。筒狀陽(yáng)極2在陽(yáng)極加熱電源Va的作用下，在陰極附近建立起發(fā)射鞘層，陰極發(fā)射的電子經(jīng)過(guò)陰極發(fā)射鞘層的加速，與進(jìn)氣口20進(jìn)入的氬氣(經(jīng)過(guò)均壓盤(pán)10均流)發(fā)生電離碰撞，形成等離子體。
Vb為磁場(chǎng)電源，用磁場(chǎng)電源Vb對(duì)繞在水冷陽(yáng)極上的磁場(chǎng)線圈5′通電，產(chǎn)生環(huán)形磁場(chǎng)。通過(guò)陽(yáng)極磁極靴17，磁屏18，陰極磁極靴19及放電室1內(nèi)的環(huán)形磁場(chǎng)構(gòu)成磁回路。其中較強(qiáng)的磁場(chǎng)，是從陰極14出發(fā)到達(dá)陽(yáng)極磁極靴17的那根磁力線；我們稱(chēng)之為臨界磁力線CB。是它決定了從陰極發(fā)出的高速電子所包絡(luò)的區(qū)域。
本實(shí)用新型利用螺旋線圈5′，陽(yáng)極磁極靴17，磁屏18及陰極磁極靴19，實(shí)現(xiàn)異形磁場(chǎng)；改造臨界磁力線CB，提高放電效率，取得更大的均勻區(qū)。放電區(qū)13形成的等離子體，在磁場(chǎng)壓縮下進(jìn)一步提高了區(qū)內(nèi)的等離子體密度。反應(yīng)氣體通過(guò)氧進(jìn)氣管6均勻分布在放電室外，與等離子體流相互作用使氧氣充分電離。氧氣氛可以在比通常反應(yīng)蒸鍍低得多的氧氣分壓下，充分與膜層反應(yīng)，從而得到化學(xué)配比良好的氧化物光學(xué)薄膜。由于氧氣在放電室外引入，并不嚴(yán)重影響陰極電子發(fā)射。此外，硼化鑭陰極在1500℃以上工作時(shí)對(duì)氧不敏感，因此在反應(yīng)鍍膜工作條件下仍可以得到長(zhǎng)壽命的陰極(＞100小時(shí))。該放電電流與磁場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生周向霍爾電流，周向霍爾電流與徑向磁場(chǎng)相互作用，加速離子運(yùn)動(dòng)；在徑向磁場(chǎng)梯度較大區(qū)域會(huì)形成離子加速層AL，使離子獲得能量。在真空室蒸鍍的工件處于接地電位，等離子體中電子會(huì)在無(wú)柵離子源及工件間來(lái)回振蕩；提高了電子電離自由程，增加了等離子體電離度。在真空室處于蒸鍍的工件與等離子體之間也會(huì)建立鞘層，在鞘層電壓作用下，等離子體離子進(jìn)一步加速轟擊膜原子，產(chǎn)生輔助鍍膜的工藝過(guò)程。其中等離子體的離子密度及能量是輔助鍍膜工藝的主要參數(shù)。
該無(wú)柵離子源用于等離子體輔助鍍膜時(shí)，在鍍多層膜之前對(duì)基片進(jìn)行預(yù)處理，清洗基片；可以得到更好的膜層與基片的結(jié)合力。鍍膜時(shí)，離子動(dòng)量傳遞給正在成膜的原子，使原子的相互結(jié)合力大大提高，膜層的結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)，膜層的密度大為提高。該輔助鍍膜用的無(wú)柵離子源可在氧氣氛下工作，蒸發(fā)物質(zhì)原子及氧氣在高密度等離子體作用下被激活及離化，使反應(yīng)完全，使光學(xué)薄膜的損耗及吸收率大大降低，能在大直徑范圍內(nèi)生產(chǎn)均勻、低吸收、高質(zhì)量的光學(xué)膜。
圖2為我們提出的實(shí)用新型無(wú)柵離子源。氬氣從側(cè)面管子20底部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)均壓盤(pán)9均流，從中間進(jìn)入放電區(qū)，氧氣則從放電室外進(jìn)入。電源通過(guò)水冷電極7對(duì)石墨體16加熱，把硼化鑭陰極杯14烘烤到1500℃以上，則陰極發(fā)射電子。對(duì)陽(yáng)極2加以水冷。放電在陰極與陽(yáng)極間進(jìn)行，由于磁場(chǎng)的控制提高了放電效率。放電產(chǎn)生的電子受到磁場(chǎng)限制，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)電離碰撞前不會(huì)很快損失。該等離子體在徑向磁場(chǎng)梯度最大處會(huì)形成離子加速層AL。該等離子體與蒸鍍的原子及氧氣相互作用，進(jìn)一步激活了這些粒子，并在待鍍的工件前形成的等離子鞘的作用下加速離子。離子與鍍膜原子進(jìn)行動(dòng)量變換，提高了膜層的結(jié)合力、膜層密度及膜層的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1．一種用于大面積輔助鍍膜的無(wú)柵離子源，其特征在于它包括有放電室、陰極、水冷陽(yáng)極、陰極發(fā)射體、陰極座、陰極加熱體、陽(yáng)極磁極靴、磁屏、陰極磁極靴、陰極加熱電極，均壓盤(pán)、陰極氧化鋁絕緣子、陽(yáng)極氧化鋁絕緣子和底板所組成，其中放電室、水冷陽(yáng)極、磁極靴均呈圓筒狀，陽(yáng)極與磁屏間由螺絲固定，陰極為杯狀，它與陰極座嵌接，筒狀陰極加熱體中間切縫與陰極加熱導(dǎo)柱采用螺釘壓緊，陰極電源通過(guò)陰極加熱電極、陰極加熱導(dǎo)柱對(duì)陰極加熱體加熱，當(dāng)陰極被加熱到特定溫度以上即發(fā)射電子，筒狀陽(yáng)極在加熱電源作用下，在陰極附近建立起發(fā)射鞘層，陽(yáng)極磁極靴、磁屏、陰極磁極靴及放電室內(nèi)的環(huán)形磁場(chǎng)構(gòu)成磁回路。
2．按照權(quán)利要求1所說(shuō)的用于大面積輔助鍍膜的無(wú)柵離子源，其特征在于所說(shuō)的陽(yáng)極磁極靴、磁屏、陰極磁極靴和放電室內(nèi)的環(huán)形磁場(chǎng)，它們構(gòu)成磁回路。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及等離子體技術(shù)中的一種鍍膜、裝置,它主要包含有放電室、陽(yáng)極、陰極發(fā)射體、陰極磁極靴、磁屏、陽(yáng)極磁極靴。本實(shí)用新型利用電磁線圈及極片構(gòu)成異形磁場(chǎng),改變臨界磁力線的形狀,增加高速電子區(qū)的體積,減小其表面積從而提高放電效率;可以施加屏極電壓,主動(dòng)控制等離子體電位,從而主動(dòng)控制參與輔助鍍膜的等離子體離子能量;可以進(jìn)行含氧的反應(yīng)輔助鍍膜。
文檔編號(hào)C23C14/48GK2310077SQ97228290
公開(kāi)日1999年3月10日 申請(qǐng)日期1997年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月17日
發(fā)明者尤大偉, 李曉謙, 王宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心