一種進行離子輻照實驗的ecr-pecvd裝置制造方法
【專利摘要】一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，該裝置包括微波源、通電線圈、進氣管、手持式紅外測溫儀、可視窗口、加熱爐、抽真空管道、水冷管、樣品、絕緣陶瓷片。設備的腔體上端附有通電線圈，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側設有進氣管，底端設有抽氣管道，另一側設有可視窗口。ECR-PECVD設備在化學氣上沉積方面有很大的應用，但經過改造后在面向等離子體材料的研究方面也能起到至關重要的作用。其中在樣品上加負偏壓在150V左右是束達到2x1020He·m-2·s-1，并能夠在此參數下穩定長時間的工作；此設備在溫度可控的條件下能夠進行各種參數的調節，能夠穩定的進行工作解決了低能高束流設備短缺的問題。
【專利說明】—種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于等離子體材料【技術領域】，具體涉及一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD 裝置。
【背景技術】
[0002]隨著氣候日益惡化和能源需求的不斷擴大，可再生能源技術的開發利用將成為解決這一問題的關鍵。在各種可再生能源(核能、太陽能、水能、風能和生物質能等)中，核聚變能是潛在的清潔安全能源，同時面對我國經濟的快速發展、能源消耗的迅速攀升，人均資源卻又明顯低于全球平均水平的嚴峻情況，發展核聚變能具有重要的現實意義和深遠的戰略價值。
[0003]磁約束托卡馬克是目前最有可能實現受控熱核聚變的方法。在反應堆正常運轉時，部分未受約束的He+、D+以及等離子體鞘層邊界等離子體會直接與壁材料接觸，壁材料表面將會產生刻蝕和雜質顆粒沉積，以及壁材料內部氘氦滯留和起泡問題。在研究壁材料研究過程中，為了模擬熱核聚變磁約束托卡馬克裝置中的聚變條件，穩定且定量的等離子體束流是必不可少的，但在國內能夠模擬器等離子體條件的設備是非常稀缺的。國內STEP裝置(目前至于合肥中科 院等離子體物理研究所)的離子源具有高能束流可達IO21量級，如果降低其能量就會導致束流量的迅速下降，而托卡馬克裝置中實際輻照并不會產生1000ev量級的能量，因此模擬其真實熱核聚變中的低能高束流設備對于等離子體材料研究是至關重要的。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服傳統ECR-PECVD只能單一作為化學氣相沉積鍍膜使用，應用領域狹窄的缺陷。在研究面向等離子體材料過程中，穩定的離子源是必不可少的，并且對束流的量化要求也比較嚴格，在束流量計算上還缺乏一定的丈量標準。要計算離子源的束流量就要研究等離子體邊緣形成的鞘層，由于電子和離子都做熱運動，而電子比離子質量小，熱速度就比離子大，先到達樣品表面，這樣會影響到離子對樣品表面影響的研究，電子使樣品上帶的正偏壓大約為20V。通過不斷嘗試，在樣品上加上一個負偏壓會起到排斥電子同時吸引離子的作用，其中束流量的計算公式為:
[0005]flux=-^3-
[0006]其中I為流經樣品表面電流，q為電子帶電量，r為樣品半徑。
[0007]通過對銅線圈磁場的測量,確定在860~900Gs之間的磁場強度對氦氣電離效果最佳，線圈電流大致在140A左右。
[0008]結果表明在樣品上加上負偏壓在40~150V時能夠產生不同的束流量，其范圍在
0.01~2X102°He.m_2.s-1之間。在調節偏壓和微波源功率會得到穩定的輸出束流。本裝置設計與傳統ECR裝置相比，具有穩定的輸出束流和能量，可進一步對面向等離子體材料進行研究，并且解決了實驗中缺少低能高束流設備的問題。
[0009]為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，該裝置包括微波源、通電線圈、進氣管、手持式紅外測溫儀、可視窗口、加熱爐、抽真空管道、水冷管、樣品、絕緣陶瓷片。
[0010]設備的腔體上端附有通電線圈，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側設有進氣管，底端設有抽氣管道，另一側設有可視窗口。
[0011]樣品臺內部設有加熱爐盤和水冷裝置，其水冷系統是安裝在爐盤下部，這樣就能夠對樣品臺進行主動加溫和冷卻，通過外部的紅外測溫儀的反饋，精確控制其溫度，為實驗提供準確數據。
[0012]因此，本裝置可作為一種新型、穩定輸出的離子源裝置，對面向等離子體材料的發展與研究具有特殊意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1ECR-PECVD改裝后的示意圖。
[0014]圖2流經樣品電流測試方法與負偏壓接法。
[0015]圖3偏壓對樣品中電流的影響曲線。
[0016]圖4偏壓對束流量的影響曲線。
[0017]圖中:1、微波源，2、通電線圈，3、進氣管，4、手持式紅外測溫儀，5、可視窗口，6、力口熱爐，7、抽真空管道，8、水冷管，9、樣品，10、絕緣陶瓷片，11、偏壓源。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實例對本方面作進一步說明。
[0019]如圖1-4所示，一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，該裝置包括微波源1、通電線圈2、進氣管3、手持式紅外測溫儀4、可視窗口 5、加熱爐6、抽真空管道7、水冷管8、樣品9、絕緣陶瓷片10。
[0020]設備的腔體上端附有通電線圈2，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側設有進氣管3，底端設有抽氣管道7，另一側設有可視窗口 5。
[0021]樣品臺內部設有加熱爐盤6和水冷裝置8，其水冷系統是安裝在爐盤下部，這樣就能夠對樣品臺進行主動加溫和冷卻，通過外部的紅外測溫儀的反饋，精確控制其溫度，為實驗提供準確數據。
[0022]在樣品臺上設有絕緣陶瓷片10，避免樣品9和腔體形成回路對電流的測量造成影響。在腔體外對樣品9串聯一個可調式偏壓源11，在進行輻照時，通過對偏壓源的調節可控制離子輻照的能量，同時對離子的束流量影響很大。
[0023]當腔體氣壓抽到所需值時調節微波源1，微波的能量與通電線圈2產生磁場相互作用使其達到氣體的共震頻率，促使氣體電離。微波源的功率在200?400W，調節微波輸出攻略可使氣體電離程度不同。同時偏壓源11在調節的過程中會使腔體內的電場發生明顯的變化，導致樣品吸引離子的能量不同，最終決定離子的束流量。在加熱爐盤10以及水冷8的作用下可以精確的控制樣品的襯底溫度，有助于實驗過程中參數的調節。
[0024]為達到預期的結果，在實驗時必須嚴格按照操作步驟。[0025]SI將腔體抽真空到10_4Pa，在抽真空過程中緩慢將通電線圈的電流提高到140A左右；
[0026]S2通過加熱爐盤6和冷卻裝置8將樣品臺調節至一定溫度；
[0027]S3將預研究氣體通入腔體，調節流量與真空閥使氣壓到10_2?KT1Pa ；
[0028]S4微波源預熱后啟動，調節所需功率使氣體電離；
[0029]S5通過偏壓源11，來調節電流表示數，并將其換算成實際的束流量；
[0030]通過設備的調試，能夠得到不同束流量的等離子束(如圖4所示)，可以對不同的離子束流量輻照后樣品的形貌、結構的變化等進行研究。
[0031]實施例
[0032]1、首先將ECR設備磁場進行標定，并將通電線圈升至恰當位置，使氦氣能夠充分電離。將墻體內部沉積臺改裝成等離子體材料研究的樣品臺，并在樣品臺下加裝水冷以及加熱裝置，使其設備能夠精確控溫，結構如圖1所示；
[0033]2、將樣品與下方樣品臺用陶瓷片進行絕緣，樣品連入導線在腔體外加負偏壓，必須保證連入導線與腔體絕緣，詳見圖2 ；
[0034]3、在350W2.4GHz的微波電離條件下，測量了其離子放電與所加偏壓隨時間的變化，從圖中可以看出，其上下波動大約在1mA，詳見圖3 ；
[0035]4、通過對不同負偏壓測試得出束流量曲線，詳見圖4。在未來面向等離子體材料研究中可以用不同束流密度的等離子體來進行試驗，并進行低能高束流的實驗來模擬熱核聚變中的真實損傷條件，對未來核聚變能的研究具有特殊意義。
【權利要求】
1.一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，其特征在于:該裝置包括微波源(I)、通電線圈(2)、進氣管(3)、手持式紅外測溫儀(4)、可視窗口(5)、加熱爐(6)、抽真空管道(7)、水冷管(8)、樣品(9)、絕緣陶瓷片(10)； 設備的腔體上端附有通電線圈(2)，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側設有進氣管(3)，底端設有抽氣管道(7)，另一側設有可視窗口(5)； 樣品臺內部設有加熱爐盤(6)和水冷裝置(8)，其水冷系統是安裝在爐盤下部，這樣就能夠對樣品臺進行主動加溫和冷卻，通過外部的紅外測溫儀的反饋，精確控制其溫度，為實驗提供準確數據； 在樣品臺上設有絕緣陶瓷片(10)，避免樣品(9)和腔體形成回路對電流的測量造成影響。在腔體外對樣品(9)串聯一個可調式偏壓源(11)，在進行輻照時，通過對偏壓源的調節可控制離子輻照的能量，同時對離子的束流量影響很大。
2.依權利要求1所述的裝置，本裝的操作方法，其特征在于: SI將腔體抽真空到10-4Pa，在抽真空過程中緩慢將通電線圈的電流提高到140A左右； S2通過加熱爐盤(6)和冷卻裝置(8)將樣品臺調節至一定溫度； S3將預研究氣體通入腔體，調節流量與真空閥使氣壓到10-2?IO-1Pa ； S4微波源預熱后啟動，調節所需功率使氣體電離； S5通過偏壓源(11)，來調節電流表示數，并將其換算成實際的束流量； 通過設備的調試，能夠得到不同束流量的等離子束，可以對不同的離子束流量輻照后樣品的形貌、結構的變化等進行研究。
3.根據權利要求1所述的一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，其特征在于:當腔體氣壓抽到所需值時調節微波源(1)，微波的能量與通電線圈(2)產生磁場相互作用使其達到氣體的共震頻率，促使氣體電離。
4.根據權利要求1所述的一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，其特征在于:偏壓源(11)在調節的過程中會使腔體內的電場發生明顯的變化，導致樣品吸引離子的能量不同，最終決定離子的束流量。
5.根據權利要求1所述的一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，其特征在于:在加熱爐盤(10)以及水冷(8)的作用下可以精確的控制樣品的襯底溫度，有助于實驗過程中參數的調節。
6.根據權利要求1所述的一種進行離子輻照實驗的ECR-PECVD裝置，其特征在于:微波源(I)的功率在200?400W，調節微波輸出攻略可使氣體電離程度不同。
【文檔編號】H01J37/32GK103926260SQ201410126393
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】王波, 李超, 嚴輝, 張子龍, 張銘, 王如志, 宋雪梅, 侯育冬, 朱滿康, 劉晶冰, 汪浩 申請人:北京工業大學