專利名稱：射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及細(xì)長(zhǎng)管的內(nèi)表面離子注入表面改性方法。
技術(shù)背景細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入一直是一個(gè)較為棘手的問(wèn)題。釆用傳統(tǒng)的束線離子 注入，由于離子無(wú)法在管內(nèi)拐彎，細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)壁注入幾乎不可能。近些年提出了 一種等離子體浸沒(méi)離子注入表面改性方法。基本原理是管筒放在真空室內(nèi)，真空室內(nèi)產(chǎn)生等離子體，等離子體通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入到管筒內(nèi)，然后在管上施加負(fù) 偏壓，這樣離子就被加速注入到工件表面。由于管內(nèi)等離子體是靠擴(kuò)散進(jìn)入的， 密度梯度(密度不均勻性)是必然的。如果管很長(zhǎng)、很細(xì)，管內(nèi)部深處可能得 不到等離子體，注入也就無(wú)從談起。后來(lái)有人提出了內(nèi)部射頻等離子體源的方法，如姜國(guó)專利5693376公開(kāi)了筒型表面等離子體離子注入與沉積方法(Method for plasma source ion implantation and deposition for cylindrical surfaces)。如圖2所示，禾擁中心電極耦合射頻功率來(lái)獲得管內(nèi)部的等離子體，同時(shí)被處理的管 上施加負(fù)偏壓進(jìn)行離子注入或沉積。由于在管上施加負(fù)偏壓時(shí)管內(nèi)部沒(méi)有嵌位 的地電極，離子注入的能量不可能很高。為此中國(guó)專利2!^1115523衛(wèi)公開(kāi)了一 種新的結(jié)構(gòu)(一種管狀工件內(nèi)表面改性的方法)。如圖3所示，在管筒內(nèi)部中心 加入一個(gè)射頻天線，外套網(wǎng)狀金屬地電極。注入高壓施加在網(wǎng)狀地電極和管筒 工件之間。等離子體在中心射頻電極和地電極間產(chǎn)生，等離子體擴(kuò)散出來(lái)，被 負(fù)高壓吸引獲得管筒內(nèi)壁的離子注入效應(yīng)。這樣有內(nèi)部的等離子體源，同時(shí)又 有地電極嵌位，可以有效實(shí)現(xiàn)離子注入。但該專利由于在管內(nèi)加入了中心射頻 電極和地電極，使得處理的管筒直徑不可能較小。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，以克服已有技術(shù)在管筒與射頻天線之間設(shè)置網(wǎng)狀金屬地電極的結(jié)構(gòu)所帶來(lái) 該技術(shù)不能應(yīng)用于管筒直徑細(xì)情況的缺陷。本發(fā)明的方法包括下述步驟一、 需要表面改性的管筒1置于密閉容器2內(nèi)并把管筒1接地，射頻天線3的一端 插入密閉容器2內(nèi)并且位于管筒1內(nèi)的中心線處；二、通過(guò)射頻天線3向管筒1 內(nèi)間歇性發(fā)射射頻電磁波，管筒l內(nèi)的氣體發(fā)生電離，從而在管筒l內(nèi)產(chǎn)生等 離子體；三、在射頻電磁波的發(fā)射間歇期間給射頻天線3通以正高壓脈沖，射 頻天線3與接地的管筒1間形成高壓電場(chǎng)，管筒1內(nèi)的正離子受到高壓電場(chǎng)的 作用，飛向管筒l內(nèi)壁、完成離子注入。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是美國(guó)專利5693376公開(kāi)的筒型表面等 離子體離子注入與沉積方法的示意圖，圖3是中國(guó)專利ZL01115523.X公開(kāi)的管 狀工件內(nèi)表面改性的方法的示意圖，圖4是本發(fā)明射頻電磁波與正高壓脈沖的 一種相序關(guān)系示意圖，圖5是射頻電磁波與正高壓脈沖的另一種相序關(guān)系示意 圖，圖6是本發(fā)明方法得到的沿管筒長(zhǎng)度方向等離子體密度相對(duì)分布的示意圖， 其中橫軸為管筒長(zhǎng)度方向，縱軸為等離子體密度值。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式由下述 步驟組成 一、需要表面改性的管筒1置于密閉容器2內(nèi)并把管筒1接地，射 頻天線3的一端插入密閉容器2內(nèi)并且位于管筒1內(nèi)的中心線處；二、通過(guò)射 頻天線3向管筒1內(nèi)間歇性發(fā)射射頻電磁波，管筒1內(nèi)的氣體發(fā)生電離，從而 在管筒1內(nèi)產(chǎn)生等離子體；三、在射頻電磁波的發(fā)射間歇期間給射頻天線3通 以正高壓脈沖，射頻天線3與接地的管筒1間形成高壓電場(chǎng)，管筒1內(nèi)的正離 子受到高壓電場(chǎng)的作用，飛向管筒內(nèi)壁、完成離子注入。步驟三中可采用的高壓脈沖為l-50kV，脈沖頻率l-500Hz，密閉容器2內(nèi) 填充氧氣、氮?dú)?、氬氣、甲烷或乙炔等多種氣體作為發(fā)生電離的氣體。步驟二 中射頻電磁波的功率為20W-2000W。在長(zhǎng)度200mm、直《5 50mm的管筒1內(nèi)部， 在氣壓為7Pa條件下測(cè)量等離子體密度相對(duì)分布如圖6所示。等離子體密度在 長(zhǎng)度方向是均勻的，等離子體在管筒1長(zhǎng)度方向的兩端略有升高，是由于邊緣 效應(yīng)造成的。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處是步驟二和步驟 三的進(jìn)行過(guò)程中，管筒1處于繞自身軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)。如此操作，能提高離 子徑向注入管筒1的均勻性，從而補(bǔ)償管筒1的徑向位置偏移或放電徑向不均
勻造成的離子注入不均勻。使管筒l旋轉(zhuǎn)的管筒旋轉(zhuǎn)裝置包括電機(jī)ll、聯(lián)軸器9、小齒輪7、大齒輪14、套體15、止推軸承12和支架13，電機(jī)ll的軸通過(guò) 聯(lián)軸器9固定在小齒輪7的齒輪軸8上，齒輪軸8為絕緣材料，小齒輪7與大 齒輪14相嚙合，大齒輪14的齒圈套在套體15的外圓表面上且與其固定，套體 15固定在管筒1下端的外圓表面上，套體15通過(guò)止推軸承12座落在支架13 上。本實(shí)施方式通過(guò)電機(jī)11以及各部件組成的傳動(dòng)鏈帶動(dòng)管筒1旋轉(zhuǎn)。射頻天 線3穿入密閉容器2之處設(shè)置有絕緣體16，電機(jī)11的軸穿入密閉容器2之處設(shè) 置有絕緣體17和動(dòng)密封10，動(dòng)密封10設(shè)置在絕緣體17與電機(jī)11的軸之間， 絕緣體17設(shè)置在動(dòng)密封10與密閉容器2的壁之間。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處是密閉容器2內(nèi) 充入甲垸或乙炔氣體。充入甲烷、乙炔等氣體，可以實(shí)現(xiàn)管筒1內(nèi)表面的類金 剛石薄膜沉積。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處是管筒1采用Cr、 Ti、 Zr、 Fe、 Cu等陰極材料，密閉容器2內(nèi)填充氬氣。通過(guò)自偏壓濺射效應(yīng)可 以在管筒1內(nèi)表面獲得純金屬的涂層。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與實(shí)施方式四的不同之處是密閉容器2內(nèi)填充甲烷、氧氣、氮?dú)饣蛞胰驳确磻?yīng)氣體，管筒l內(nèi)表面可以獲得TiN、 CrN、 ZrN、 TiCN等薄膜沉積。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處是射頻天線3的 另一端連接有高壓脈沖電路4和射頻電路5，高壓脈沖電路4由高壓脈沖電源 4-1和低通濾波器4-2組成，高壓脈沖電源4-1通過(guò)低通濾波器4-2連接在射頻 天線3上以向其輸出高壓脈沖信號(hào)；射頻電路5由射頻發(fā)生器5-1、可變電容 Cl、電感L、電阻R和二號(hào)電容C2組成，射頻發(fā)生器5-1的輸出端連接電阻R 的一端、二號(hào)電容C2的一端和電感L的一端，電阻R的另一端連接二號(hào)電容C2 的另一端并接地，電感L的另一端連接可變電容C1的一端，可變電容C1的另 一端連接在射頻天線3上。一般來(lái)說(shuō)高壓電路系統(tǒng)中不允許串入射頻電路，以免擊穿器件和傷人；同 時(shí)射頻電路中也不能串入高壓電路，以免引起器件擊穿、失效。如圖1所示， 通過(guò)C1、L和C2以及低通濾波器的匹配使得高壓電路與射頻電路之間互不干擾；
這里的關(guān)鍵是通過(guò)Cl和C2串聯(lián)分壓使得C2上獲得較小的分壓，從而避免高壓 對(duì)射頻電路的影響。低通濾波器主要由電感組成，該濾波器通低頻、阻高頻。 在實(shí)際工作中高壓脈沖電源4-1產(chǎn)生的信號(hào)脈沖頻率一般僅有幾百赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn) 低于射頻頻率，因而通過(guò)該低通濾波器可以有效避免射頻對(duì)高壓電路的影響。 脈沖高壓S2與射頻脈沖Sl的時(shí)序關(guān)系如圖4和5所示，可以一個(gè)射頻一個(gè)高 壓脈沖交替，也可以在射頻脈沖中間有多個(gè)脈沖。
權(quán)利要求
1、射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方法，其特征在于它包括下述步驟一、需要表面改性的管筒(1)置于密閉容器(2)內(nèi)并把管筒(1)接地，射頻天線(3)的一端插入密閉容器(2)內(nèi)并且位于管筒(1)內(nèi)的中心線處；二、通過(guò)射頻天線(3)向管筒(1)內(nèi)間歇性發(fā)射射頻電磁波，管筒(1)內(nèi)的氣體發(fā)生電離，從而在管筒(1)內(nèi)產(chǎn)生等離子體；三、在射頻電磁波的發(fā)射間歇期間給射頻天線(3)通以正高壓脈沖，射頻天線(3)與接地的管筒(1)間形成高壓電場(chǎng)，管筒(1)內(nèi)的正離子受到高壓電場(chǎng)的作用，飛向管筒(1)內(nèi)壁、完成離子注入。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于密閉容器(2)內(nèi)填充氧氣、氮?dú)饣驓鍤庾鳛榘l(fā)生電離的氣體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于步驟二和步驟三的進(jìn)行過(guò)程中，管筒(l)處于繞自身軸心線轉(zhuǎn)動(dòng) 的狀態(tài)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于使管筒l旋轉(zhuǎn)的管筒旋轉(zhuǎn)裝置包括電機(jī)(ll)、聯(lián)軸器(9)、小齒 輪(7)、大齒輪(14)、套體(15)、止推軸承(12)和支架(13)，電機(jī)(ll)的軸通過(guò) 聯(lián)軸器(9)固定在小齒輪(7)的齒輪軸(8)上，齒輪軸(8)為絕緣材料，小齒輪(7) 與大齒輪(14)相嚙合，大齒輪(14)的齒圈套在套體(15)的外圓表面上且與其固 定，套體(15)固定在管筒(1)下端的外圓表面上，套體(15)通過(guò)止推軸承(12)座 落在支架(13)上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方法密閉容器(2) 內(nèi)充入甲烷或乙炔氣體。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于管筒(l)采用Cr、 Ti、 Fe、 Cu或Zr作為陰極材料，密閉容器(2) 內(nèi)填充氬氣。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于密閉容器(2)內(nèi)填充甲垸、氧氣、氮?dú)饣蛞胰病?br> 8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方 法，其特征在于射頻天線(3)的另一端連接有高壓脈沖電路(4)和射頻電路(5)， 高壓脈沖電路(4)由高壓脈沖電源(4-l)和低通濾波器(4-2)組成，高壓脈沖電源 (4-l)通過(guò)低通濾波器(4-2)連接在射頻天線(3)上以向其輸出高壓脈沖信號(hào)；射頻 電路(5)由射頻發(fā)生器(5-l)、可變電容(C1)、電感(L)、電阻(R)和二號(hào)電容(C2) 組成，射頻發(fā)生器(5-l)的輸出端連接電阻(R)的一端、二號(hào)電容(C2)的一端和電 感(L)的一端，電阻(R)的另一端連接二號(hào)電容(C2)的另一端并接地，電感(L)的 另一端連接可變電容(C1)的一端，可變電容(C1)的另一端連接在射頻天線(3)上。
全文摘要
射頻天線耦合細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面離子注入表面改性方法，本發(fā)明涉及細(xì)長(zhǎng)管的內(nèi)表面離子注入表面改性方法。它克服了已有技術(shù)在管筒與射頻天線之間設(shè)置網(wǎng)狀金屬地電極的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)該技術(shù)不能應(yīng)用于管筒直徑細(xì)情況的缺陷。它包括下述步驟需要表面改性的管筒置于密閉容器內(nèi)并把管筒接地，射頻天線的一端插入密閉容器內(nèi)并且位于管筒內(nèi)的中心線處；通過(guò)射頻天線向管筒內(nèi)間歇性發(fā)射射頻電磁波，管筒內(nèi)的氣體發(fā)生電離，從而在管筒內(nèi)產(chǎn)生等離子體；在射頻電磁波的發(fā)射間歇期間給射頻天線通以正高壓脈沖，射頻天線與接地的管筒間形成高壓電場(chǎng)，管筒內(nèi)的正離子受到高壓電場(chǎng)的作用，飛向管筒內(nèi)壁、完成離子注入。
文檔編號(hào)C23C14/48GK101130855SQ20071007270
公開(kāi)日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者楊士勤, 田修波 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)