專利名稱：用于制膜設備的多用途等離子體噴槍的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及制膜設備，特別是用于制膜設備中的摻雜與活化氣體的一種裝置。
薄膜科學與技術是新材料發(fā)展前沿最活躍的領域之一。為了探索新材料和制備高性能的薄膜材料，人們采用了各種手段和措施，如采用活性氣體提高薄膜質量，采用摻雜獲得新材料和改善薄膜性能，這些都是目前制備薄膜普遍使用的方法。為了得到活性氣體，有的采取微波激勵，如文獻(1)C.Niuetal.，Science Vol.261，334(1993).有的采用臭氧發(fā)生器，如文獻(2)T.Terashima et al.，Phys.Rev.Lett.Vol.65，2684(1990).有的采用離子束源，如文獻(3)X.D.Wuet al.，Appl.Phys.Lett.Vol.65，1961(1994).這些活化氣體方法不僅裝置與設備復雜成本高，而且由于管道傳輸中的分解與復合等原因，一般到達真空室里的活化氣體僅為5％～13％，其效果也還不夠理想。為了摻雜，制膜設備的發(fā)展趨勢是將不同的制膜方法與設備復合起來，使制膜設備愈加復雜和龐大?？傊瑹o論活化氣體或是摻雜，多數(shù)都需要一個專門的設備或特殊裝置，不僅花費多成本高，而且由于系統(tǒng)復雜操作也是極為不方便。
本實用新型的目的在于克服上述已有技術和方法的缺點，提供一種結構簡單、可方便用于制膜設備既可活化氣體又可同時進行摻雜的多用途等離子體噴槍。
本實用新型的任務是這樣完成的本實用新型利用氣體電暈放電(或射頻放電)與尖端放電的特性，制成由絕緣管、2個電極、保護限流電阻、電源和法蘭組成的串聯(lián)式雙放電多用途等離子體噴槍。絕緣管同時是工作氣體的導入管，絕緣管可用石英、玻璃、氧化鋁或陶瓷等絕緣材料。絕緣管做成前端有1-10個錐形噴嘴，按需要也可作成彎形，目的是使噴嘴朝向和接近工作區(qū)，使活化氣體和摻雜物直接到達襯底。用金屬法蘭將絕緣管帶有噴嘴端密封固定在真空室內，絕緣管與法蘭之間的密封聯(lián)接，可按制膜真空室的低真空、高真空和超高真空的不同要求，采用橡皮、氟橡膠密封或可伐燒封等不同做法。法蘭與真空室之間采用橡皮、氟橡膠或金屬“O”環(huán)密封聯(lián)接。限流電阻與絕緣管中心的電極引出端和電源的高壓輸出端聯(lián)接，絕緣管外的電極可直接通過法蘭接地。
圖1是本實用新型結構示意圖。
圖面說明如下1-色緣管；2-電極(筒狀)；3-電極(柱狀)；4-限流電阻；5-電源；6-法蘭；7-進氣口根據(jù)真空制膜的工作氣壓決定絕緣管(1)前端噴嘴的大小，通過控制通氣流量來控制絕緣管(1)里的氣壓。使絕緣管(1)里的氣壓維持在容易產生電暈放電(或射頻放電)的幾百乇到幾乇。此時當電源(5)的輸出電壓值上升到一定電壓時，在電極(2)和電極(3)之間就會產生均勻的電暈放電(或射頻放電)，同時一般真空室外壁都是金屬材料并且接地，電極(3)接高電位，電極(3)就會對真空室產生尖端放電。
下面結合三個主要用途做進一步說明1.活化氣體如果把本實用新型提供的等離子體噴槍用于活化氣體，電極(3)就選用與工作氣體不易起反應的導體材料。如工作氣體是氧氣，可選用鋁或白金做電極(3)，因為白金不易氧化，而鋁氧化后在表面可形成穩(wěn)定的氧化鋁薄膜。當氧流過電極(2)與電極(3)的電暈放電和電極(3)與真空室的尖端放電，就產生化學性質活潑的臭氧和原子氧，而且無損失的直接噴入工作區(qū)，因此活化效率很高。
2.摻雜如果把本實用新型提供的等離子體噴槍做成摻雜源來使用，并且摻雜材料是導體。電極(3)就用被摻雜材料來制作。具體說，如想在薄膜中摻入銅，電極(3)就用銅制作。工作氣體可以用氬氣。此時電暈放電產生的離子氬就會撞擊濺射出銅元素，并同時被氣流攜帶進工作區(qū)并到達制膜的襯底。若摻雜源材料是氣相的，可直接通入或混含氬、氦氣體通入絕緣管(1)，被電場分解或活化后直接到達襯底。
3.活化氣體和摻雜并用有些工作即需活化氣體又需摻雜。此時，本實用新型提供的等離子體噴槍可以活化氣體與摻雜并用。如想在釔鋇銅氧超導薄膜中摻入銀以提高薄膜的電流密度，在此情況，除了制備氧化物超導薄膜所需活性氧外，還要摻入雜質銀，因而可選用銀絲做電極(3)，工作氣體使用純氧或氧與氬的混合氣體，被濺射的銀與活化的氧就可同時到達襯底。
綜上所述，本實用新型提供的等離子體噴槍不僅可以活化氣體、摻雜，還可以活化氣體與摻雜并用，因此本實用新型所提供的等離子體噴槍是一種用于制膜設備的多用途等離子體噴槍。
本實用新型的優(yōu)點在于若將本實用新型提供的等離子體噴槍用于產生活化氧，在真空室中可得到濃度大于20％的臭氧。若將本實用新型提供的等離子體噴槍用于摻雜，隨著電場強度的增加，被摻雜物電極(3)被濺射的速率隨之增加，工作氣體若使用氬的混合氣體或氬，濺射速度就更大，因而可調節(jié)和控制摻雜濃度。
第二若把絕緣管(1)前端的噴嘴做成幾十微米的小孔，在滿足絕緣管(1)里氣體電暈放電(或射頻放電)氣壓的條件下，在絕緣管(1)里外可產生六、七個數(shù)量級的氣壓差，因此本實用新型所提供的多用途等離子體噴槍，可用于不同的制膜方法和不同真空度要求的多種制膜系統(tǒng)。不僅可用于工作氣壓從幾百乇到幾乇的激光淀積、化學淀積等制膜設備，也可以用于工作氣壓僅為10-5～10-7乇的可制備原子尺度控制的分子束外延(MBE)和激光分子束外延(LMBE)等高精密真空制膜系統(tǒng)。
在制備大面積薄膜時，為了得到均勻的氣流分布與摻雜，可以采用幾個噴嘴并聯(lián)，也可以將幾個等離子體噴槍并聯(lián)。為了增大放電功率，也可將電極(2)做成夾層水冷套形，并通水冷卻，進一步提高活化氣體密度和摻雜濃度。
圖2是多噴嘴結構示意圖。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細地說明實施例1按附圖1制作一活化氣體等離子體噴槍裝置。
用外徑φ5mm壁厚0.5mm的石英管燒制成絕緣管(1)，在絕緣管(1)前端燒拉后磨出通徑約φ0.5mm的噴嘴，把寬100mm厚0.1mm的不銹鋼板在絕緣管(1)距噴嘴10mm處包兩圈制成電極(2)，并用導線將電極(2)與接地法蘭(6)相接。用φ1mm的碳棒做電極(3)，電源(5)選用輸出7500V，200mA的自制交流變壓器。把變壓器的輸出端一端接地，另一端與電阻(4)相聯(lián)。選用100W50KΩ的繞線電阻做保護限流電阻(4)，它接在電極(3)和變壓器的高壓輸出端上。用氟橡膠“O”環(huán)將絕緣管(1)密封聯(lián)接在CF35的法蘭(6)上。選用氮氣為工作氣體，制成用于激光制膜設備，制備超硬碳氮薄膜的活性等離子體噴槍。
實施例2制作一活化氣體等離子體噴槍裝置。
按實施例1做，絕緣管(1)前端噴嘴約為φ0.05mm，用φ0.5mm的白金絲做電極(3)，經可伐過渡把絕緣管(1)燒封在CF35的法蘭(6)上，制成用于分子束外延的活化氣體等離子體噴槍。
實施例3制作一摻雜等離子體噴槍裝置。
按實施例1做，用銅絲做電極(3)，選用功率500W，頻率為13.6M的射頻電源做電源(5)。選用氬為工作氣體，制成摻銅的摻雜等離子體噴槍。
實施例4制作一個活化氣體與摻雜并用的等離子體噴槍。
按實施例1做，絕緣管(1)的前噴嘴為φ1mm，選用φ1mm的銀絲做電極(3)，選用功率500W、頻率為13.6M的射頻電源做電源(5)，制成用于激光制膜設備，制備YBCO超導薄膜并在YBCO薄膜中摻入雜質銀的活化氣體與摻雜并用的等離子體噴槍。
實施例5制作如圖2所示的四噴嘴等離子體噴槍。
用外徑φ10mm，壁厚0.5mm的玻璃管燒制絕緣管(1)，在絕緣管(1)前端燒制四個外徑φ5mm壁厚0.5mm，通徑0.05mm的噴嘴，四個噴嘴相互平行，分布在邊長為40mm正方形的四個頂角。用外徑φ7mm的鋁棒做電極(3)，電極(3)伸向四個噴嘴的部分用外徑φ1mm的鋁絲。用聚四氟乙烯做外徑φ9mm內徑φ7mm長2mm中間開口1mm的不封口環(huán)2個，套在電極(3)與絕緣管的中間，固定電極(3)，開口處為通氣用。電源(5)選用功率800W，頻率為5.6M的射頻電源，制成用于激光制膜設備的活性氧等離子體噴槍。
實施例6制作一個大功率等離子體噴槍裝置。
按實施例4做，用不銹鋼制成內徑φ5mm(與絕緣管(1)滑配)，外徑φ10mm的夾層水冷型電極(2)。
權利要求1.一種用于真空制膜設備的摻雜與活化氣體的多用途等離子體噴槍，包括絕緣管(1)、電極(2)，(3)、限流電阻(4)、電源(5)和法蘭盤(6)。絕緣管(1)前端做成1-10個錐形噴嘴，用法蘭(6)把絕緣管(1)密封固定在真空室內，絕緣管(1)的進氣口(7)、電極(3)的引出端和限流電阻(4)留在真空室外。電極(2)與地端相聯(lián)，限流電阻(4)與電極(3)和電源(5)的高壓端相聯(lián)。其特征在于電極(3)是裝在絕緣管(1)內，電極(2)包覆在絕緣管(1)外，電極(2)與電極(3)之間由絕緣管(1)隔開。
2.按權利要求1所述的用于真空制膜設備的多用途等離子體噴槍，其特征在于還包括把圓筒電極(2)作成一個夾層水冷套型。
3.按權利要求1所述的用于真空制膜設備的多用途等離子體噴槍，其特征在于所述的電源包括交流電源和射頻電源。
專利摘要本實用新型涉及制膜設備，特別是用于制膜設備中的摻雜與活化氣體的一種裝置。本實用新型為提供一種結構簡單、直接安裝在真空室內的既可用于摻雜又可用于活化氣體的多用途等離子體噴槍。本實用新型采用電暈放電與尖端放電串聯(lián)的雙放電結構。把呈錐形的絕緣管(1)用法蘭盤密封固定在真空室內，電極(3)與限流電阻(4)相接，限流電阻(4)的另一端與高壓電源(5)的高壓輸出端相接，電極(2)與地端相接組成。該裝置可用于多種制膜設備中，使用簡單方便，是一種探索新型薄膜材料和制備高質量薄膜的實用裝置。
文檔編號H05H1/26GK2270341SQ9621904
公開日1997年12月10日 申請日期1996年9月16日 優(yōu)先權日1996年9月16日
發(fā)明者呂惠賓, 楊國楨, 周岳亮, 王會生, 陳正豪, 崔大復, 何萌 申請人:中國科學院物理研究所