材料表面改性用电子束蒸发金属离子源

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。

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。\nIEPC-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。\n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。\n这种结构的源存在下述缺点：\n1.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。\n2.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。\n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。\n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。\n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。\n下面结合图2详细说明本发明连接与工作过程：\n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。\n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。\n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\n本发明的优点是：\n1.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。\n2.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。\n3.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。\n4.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。\n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。\n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：\n引出束径为          4cm\n放电室直径为        5cm\n坩埚直径为          5cm    深度为2.0cm\n放电电压为     100-200V\n放电电流为        5-10A\n电子束流为        5-20A\n电子束引出电压为  5-150V\n可引出W，Ta，Mo，Cr，Ti，B等离子。