專利名稱：寬束冷陰極離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及薄膜輔助淀積裝置，用于薄膜的離子束輔助淀積的寬束冷陰極離子源，包括冷陰極、陽(yáng)極、永磁體、多孔引出柵等組成。
目前在離子束輔助淀積技術(shù)中使用的寬束離子源多為考夫曼(Kaufman)離子源，有關(guān)考夫曼離子源的技術(shù)可在美國(guó)專利4，446，403(1984年)號(hào)等文獻(xiàn)上見到。其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的離子能量和束流密度可調(diào)節(jié)范圍大，離子束徑大，離子束束流密度分布均勻等；不足之處是由于用鎢絲等作為陰極，陰極的工作壽命較短，如使用氬氣為工作氣體時(shí)，陰極壽命約一百小時(shí)；而使用氧氣為工作氣體時(shí)，陰極壽命縮短至十幾小時(shí)甚至幾小時(shí)；同時(shí)，離子源的工作特性在使用不同工作氣體時(shí)，也有較大變化，所以，考夫曼離子源不能完全滿足離子束輔助淀積技術(shù)的要求。
在英國(guó)VACUUM雜志1986年第11期897頁(yè)上介紹了幾種用于離子注入機(jī)及加速器等設(shè)備中的小型細(xì)束冷陰極離子源，它們具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可使用多種工作氣體穩(wěn)定工作，陰極壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于它們都是細(xì)束引出，離子束徑和束流密度分布等性能都不能滿足離子束輔助淀積的要求。
本實(shí)用新型的目的為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，設(shè)計(jì)一種壽命長(zhǎng)、能量調(diào)節(jié)范圍大、離子束束流密度分布均勻能滿足離子束輔助淀積技術(shù)要求的寬束冷陰極離子源。
本實(shí)用新型的構(gòu)思為實(shí)現(xiàn)上述目的采用與細(xì)束冷陰極離子源相同的冷陰極潘寧(Penning)放電原理來(lái)產(chǎn)生等離子體，所以陰極壽命很長(zhǎng)，使用多種工作氣體時(shí)放電都很穩(wěn)定；為獲得較大的離子束徑和均勻的離子束束流密度分布，采用了較大徑向尺寸的陽(yáng)極和多孔柵離子引出系統(tǒng)，并對(duì)磁路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證在大尺寸陽(yáng)極內(nèi)有足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)，以便放電產(chǎn)生的等離子體密度較大，相應(yīng)地，得到的離子束束流密度也較大。
本實(shí)用新型寬束冷陰極離子源由冷陰極［1］、陰極座［6］、陽(yáng)極［2］、永磁體［5］和一個(gè)以上的多孔引出柵［3］、［4］組成的放電室，放電室內(nèi)的雜散磁場(chǎng)是由置于放電室周圍的鈷合金永磁體［5］所產(chǎn)生。
本實(shí)用新型陰極采用塊狀材料制成，可選用多種形狀。材料可為石墨、鈹、鈦、鉭等。
陽(yáng)極應(yīng)有足夠的徑向尺寸10～200mm，以保證在整個(gè)多孔引出柵范圍內(nèi)，都有較高的等離子體密度。陽(yáng)極可選用銅、石墨、不銹鋼等材料制成。根據(jù)需要陽(yáng)極可有多種形狀，如截面為園形，橢園形或多邊形的柱狀或錐狀等。
為保證大尺寸的放電室內(nèi)有足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)以產(chǎn)生高密度等離子體，需選用合適的永磁體及對(duì)磁路進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)。永磁體選用鈷合金材料，磁路設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)所選的永磁材料和陽(yáng)極形狀及尺寸進(jìn)行，原則是保證大尺寸放電室內(nèi)有足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在大的陽(yáng)極范圍內(nèi)高于280高斯。為此，磁路可設(shè)計(jì)為由永磁體［5］、陰極座［6］、極靴［12］組成，或由永磁體［5］、陰極座［6］組成等多種形式。
本實(shí)用新型可由陰極［1］、陽(yáng)極［2］、多孔引出柵［3］、［4］構(gòu)成放電室，其陽(yáng)極徑向尺寸17mm，截面為園形的柱狀、采用石墨制成。離子束引出系統(tǒng)為兩個(gè)多孔引出柵。永磁體［5］緊貼外殼［11］放置；完整的磁路由陰極座［6］、極靴［12］與永磁體［5］共同組成，這樣的磁路可保證大尺寸陽(yáng)極［2］內(nèi)有強(qiáng)度大于280高斯的磁場(chǎng)。工作氣體通過(guò)充氣孔［7］進(jìn)入放電室。
本實(shí)用新型的永磁體材料可選用鋁鎳鈷、杉鈷或杉鐠鈷等，這些材料都有良好的磁性能。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)將寬束冷陰極離子源用于多種金屬膜、介質(zhì)膜層的離子束輔助淀積，得到了優(yōu)良的結(jié)果。寬束冷陰極離子源產(chǎn)生的離子束束徑可滿足在多種真空鍍膜機(jī)中用于離子束輔助淀積；該源產(chǎn)生的離子束能量和離子束束流密度可調(diào)范圍大，適用于鋁、銀、金、硫化鋅、氟化鎂及多種氧化物薄膜的離子束輔助淀積，化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)穩(wěn)定性顯著改善，這些薄膜在光學(xué)技術(shù)中有廣泛的用途；該源在正常放電進(jìn)行離子束輔助淀積的情況下更換氧氣、氬氣、氧、氬混合氣體作為工作氣體時(shí)，工作狀態(tài)變化很小；用氧氣等反應(yīng)性氣體工作時(shí)，該源的陰極能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，壽命不受氣體種類影響。
本實(shí)用新型的
如下［1］－陰極，［2］－陽(yáng)極，［3］、［4］－多孔柵，［5］－永磁體，［6］－陰極座，［7］－充氣孔，［8］－陽(yáng)極支撐桿，［9］－絕緣套，［10］－陽(yáng)極固定環(huán)，［11］－外殼，［12］－極靴，［13］－絕緣環(huán)。
實(shí)施例1、本實(shí)用新型按圖1實(shí)驗(yàn)冷陰極［1］通過(guò)緊配合固定在陰極座［6］上；用螺釘將陽(yáng)極［2］固定在陽(yáng)極固定環(huán)［10］中，陽(yáng)極為截面是園形的柱狀，內(nèi)徑17mm，用石墨制成；陽(yáng)極支撐桿［8］一端通過(guò)螺紋與陽(yáng)極固定環(huán)［10］連接，另一端通過(guò)絕緣套［9］與陰極座［6］相連，通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極支撐桿［8］長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整陽(yáng)極端面與陰極端面的平行并保持一定距離；陰極座［6］通過(guò)螺紋與外殼［11］連接；極靴［12］焊接在外殼［11］上；永磁體［5］緊貼外殼［11］放置，其長(zhǎng)度剛好保證其兩端與陰極座［6］和極靴［12］的端面接觸；離子束引出系統(tǒng)使用兩個(gè)多孔引出柵，多孔柵［3］直接用螺釘固定在極靴［12］上；多孔柵［4］通過(guò)絕緣環(huán)［13］固定在極靴［12］上；應(yīng)保證兩個(gè)多孔柵相平行，兩者的中心法線與陽(yáng)極［2］的中心線相重合。永磁體材料為鋁鎳鈷，在陰極［1］，陽(yáng)極［2］，多孔柵［3］、［4］組成的放電室內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度大于280高斯。
使用時(shí)，將本實(shí)用新型寬束冷陰極離子源安裝在DMDE450型真空鍍膜機(jī)內(nèi)，進(jìn)行薄膜的離子束輔助淀積，薄膜材料選用硫化鋅，基底為K9光學(xué)玻璃，真空度達(dá)1×10－5τ后，將氬氣充入離子源到真空度為5×10－5τ，使離子源放電產(chǎn)生離子，首先用能量為1000電子伏特，束流密度為80μA／cm2的離子束轟擊基底一段時(shí)間，然后把離子能量降至600電子伏特，束流密度降為40μA／cm2，繼續(xù)轟擊基底，同時(shí)蒸發(fā)ZnS，待ZnS薄膜達(dá)到一定厚度后關(guān)閉離子源并停止蒸發(fā)ZnS。這樣制得的ZnS薄膜，膜層強(qiáng)度是普通熱蒸發(fā)淀積所得ZnS膜層強(qiáng)度的十倍以上，化學(xué)穩(wěn)定性也成倍提高。
用本實(shí)用新型寬束冷陰極離子源輔助淀積23層ZnS，MgF2濾光片時(shí)，交替使用氬氣和氧氣作工作氣體，連續(xù)工作兩個(gè)多小時(shí)，離子源工作穩(wěn)定，工作狀態(tài)變化很??；制成的濾光片膜層強(qiáng)度是普通熱蒸發(fā)濾光片膜層的四倍，濾光片的中心波長(zhǎng)在暴露于大氣后的漂移小于十埃，光學(xué)穩(wěn)定性明顯提高。
權(quán)利要求1.一種寬束冷陰極離子源，由冷陰極[1]，陰極座[6]，陽(yáng)極[2]、永磁體[5]和一個(gè)以上的多孔引出柵[3]、[4]組成，其特征在于采用陽(yáng)極徑向尺寸10～200mm，截面為園形、橢園形和多邊形的柱狀或錐狀；離子束引出系統(tǒng)由一個(gè)以上的多孔引出柵構(gòu)成；陽(yáng)極、冷陰極和多孔柵構(gòu)成放電室；放電室周圍放置鈷合金永磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬束冷陰極離子源，其特征在于陽(yáng)極的徑向尺寸17mm，截面為園形的柱狀，離子束引出系統(tǒng)有兩個(gè)多孔引出柵［3］、［4］。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬束冷陰極離子源，其特征在于永磁體材料為鋁鎳鈷、杉鈷或杉鐠鈷。
專利摘要本實(shí)用新型是寬束冷陰極離子源，用于薄膜離子束輔助淀積的裝置，其主要部件是冷陰極、陽(yáng)極和一個(gè)以上多孔引出柵組成的放電室，放電室處于永磁體形成的磁場(chǎng)中，該離子源可安裝于各類真空鍍膜機(jī)中，具有離子束束流密度和離子能量調(diào)節(jié)范圍大，束徑大，束流分布均勻，壽命長(zhǎng)，性能受工作氣體種類影響小。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，使用方便，并廣泛使用于鋁、銀、金、硫化鋅、氟化鎂及多種氧化物薄膜的離子束輔助淀積，比用常規(guī)工藝制得的薄膜強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。
文檔編號(hào)H01J27/02GK2053796SQ89217519
公開日1990年2月28日 申請(qǐng)日期1989年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年10月6日
發(fā)明者嚴(yán)一心, 夏慧琴, 盧進(jìn)軍, 王樹棠, 劉吉祥, 劉衛(wèi)國(guó) 申請(qǐng)人:西安工業(yè)學(xué)院