專利名稱：霍爾型離子輔助蒸發源的制作方法
技術領域：
本發明屬于真空鍍膜設備特別是提供了一種霍爾型離子輔助蒸發源
背景技術：
傳統蒸發鍍膜裝置是在真空條件下用電阻或電子束將膜料加熱至蒸發溫度，使其蒸發并沉積在基片上形成薄膜以達到鍍膜的目的。由于被蒸發膜料原子的能量低，所鍍膜層的附著力差、密度低，薄膜的性質受環境影響大、易脫落、不穩定。此外，電子束蒸發時，電子槍的柵極電壓為6000-10000V，容易引起高壓放電打火，影響薄膜的質量。
為了減低蒸發源的工作電壓，避免電子槍高壓放電打火，Joseph D.Zeren等發明空心陰極型蒸發源專利，“SELF-CONTAINED HOT-HOLLOWCATHODE GUN SOURCE ASSEMBLY”，美國專利，4620081，其主要內容如圖1所示，空心陰極型蒸發源1由坩堝7、8、偏轉磁極、電磁線圈2、空心陰極3、和水平偏轉線圈4等部分組成。
蒸發源的上部是一個坩堝體，在其上面構造出兩個或多個坩堝7，8，在蒸發源兩側是用高導磁材料制造的側磁極(平行于圖面，面積覆蓋整個蒸發源)，與電磁線圈2組成偏轉磁路。電磁線圈2產生磁力線，通過未指明的兩側磁極產生垂直于圖面的磁場。空心陰極3產生的電子束6在磁場的作用下發生偏轉，投射到坩堝7內，坩堝內的膜料被電子束加熱，當電子束的功率密度達到一定值時，坩堝內的膜料蒸發，其原子或原子團沉積在被鍍基片或工件上形成薄膜。
在蒸發源的前部安裝電子束水平移動線圈4及磁路5，調整其磁場強度，可以改變電子束的前后位置，可以使電子束束斑在坩堝7或坩堝8之間轉換，這樣可以鍍制不同材料的多層膜。
為了保證空心陰極型蒸發源正常工作，坩堝體和空心陰極必須被有效冷卻。
空心陰極型蒸發源與電子槍蒸發源的主要區別在于電子的動能不同。空心陰極的放電電壓在100伏以下，產生的只是熱電子，動能很低，若使坩堝內的膜料蒸發，主要靠增加電子束的束流，一般在50-500安培范圍內。而電子槍蒸發源的電子加速電壓在6000-10000伏特范圍內，因此電子具有很高的動能，這樣電子束的束流小于2安培即可使膜料快速蒸發。
無論以上何種蒸發源，膜料是以原子或原子團的形式被蒸發，由于原子或原子團不帶有電荷，所以在被鍍基片或工件上施加偏壓，對其沒有作用，即不能通過偏壓來增加原子或原子團的動能。為此，必要時通過加熱基片或工件的方法蒸發原子或原子團的能量來改善薄膜的附著力及密度等性質。然而，當基片的熔點較低，如CR39樹脂眼鏡片等，鍍膜的效果很難滿足要求。
為增加蒸發鍍膜的附著力、密度并改善其物理性質，在電子束蒸發過程中使用離子源對基片進行鍍前和在線轟擊，實現鍍前清洗和離子輔助沉積的目的。現普遍使用的一種離子源是由Kaufman首先發明端霍爾離子源的專利，“END-HALL ION SOURCE”，美國專利號，4862032，其主要技術內容如下端霍爾離子源20由發射電子的陰極22(包括燈絲、空心陰極或其他類型的電子源)、接收電子并發射離子的陽極25、磁路26和布氣系統21組成。磁路在陽極放電區內形成如圖2所示的磁場，磁力線由陰極下部的磁極發出經放電區進入頂部磁極27。離子源工作時，工作氣體(如氬氣)和反應氣體(如氧氣)由布氣孔21饋入到陽極放電區內24。與此同時，陰極燈絲被加熱至熱電子發射溫度，陽極被施以正電位。在電場的作用下，陰極燈絲發射的部分電子沿磁力線以螺旋運動的方式向陽極遷移，在放電區內與氣體原子或分子發生碰撞，并將其離化。在離化過程中產生的電子繼續向陽極遷移，產生的離子將在霍爾電場的作用下被加速并與陰極燈絲產生的部分電子中和之后形成等離子體射出離子源，具有一定能量的等離子體對基片進行直接轟擊進行鍍前清洗，或轟擊薄膜表面與薄膜表面原子進行能量交換進行離子輔助鍍膜。
發明內容
本發明提供具有離化功能的蒸發源，蒸發的原子或分子與離子發生碰撞進行能量交換，獲得較高能量，從而增加薄膜的附著力和密度等。
本蒸發源可以用來鍍前清洗，在用金屬膜料鍍制非金屬膜時，可以將反應氣體直接饋入蒸發源內并使其離化，從而進行反應鍍膜，增加反應程度。
本發明由陰極燈絲31、陽極32、供氣系統、磁路等部件組成，蒸發源通過法蘭背板36安裝在真空室壁上。
在蒸發源的上部安裝有可發射熱電子的陰極燈絲31，燈絲可用鎢、鉭等具有高熱電子發射率的材料制造，燈絲通過陶瓷絕緣墊37與離子源其他部件絕緣。
在放電室38下部安裝了陽極32，在陽極上構造出裝載膜料的坩堝39，坩堝底部有水冷室40，陽極通過螺栓41與下部的布氣板42連接。在布氣板上構造出環型布氣槽43，在布氣槽頂部有沿圓周均勻分布的供氣孔44。工作氣體(如氬氣)和反應氣體(如氧氣)由供氣管33進入環型槽內，然后由供氣孔沿圖中所示方向向放電室內供氣。另外，在布氣板上還構造出冷卻水的進水口34和出水口35。冷卻水由進水管道進入到冷卻水槽，經循環與陽極熱交換后由出水口流出，以保證坩堝被充分冷卻，避免坩堝及其他部件被燒毀。為了防止外磁極和頂部磁極受轟擊而過熱，可對其進行水冷，如圖3所示，頂部磁極上部構造出了水冷槽51，在水冷槽中通入循環水可以對磁極進行有效冷卻。
在布氣板42的下部是絕緣墊圈46和金屬墊圈45，它們的作用是保持布氣板和背磁極47間的空間可以放置磁鐵48，并且使陽極32和布氣板42與法蘭背板36絕緣。
蒸發源的磁路由背磁極47、磁體48、外磁極49和頂部磁極50組成，該磁路在放電室內形成的磁場分布如圖3所示。該磁路在放電室內形成的磁場分布，使電子能夠匯聚在坩堝內，在坩堝表面磁場沿垂直方向的磁感應強度為0.02至0.08T(特斯拉)。
在上述磁場強度下，設電子平行于磁場的電導為σ∥，垂直于磁場的電導為σ⊥，則σ∥/σ⊥＝ (ω/υ)2這里ω為電子回旋頻率，υ為電子碰撞幾率。根據玻母擴散模型有σ∥/σ⊥＝256，即 σ∥＞＞σ⊥由此可見，電子在磁場中的電導是具有方向性的，平行于磁場電導很大，電阻很小，而垂直于磁場，電導很小，電阻很大。這樣磁場的分布對電子的遷移方向有決定性的影響，磁力線將對電子的運動產生強烈約束，使電子沿磁力線以回旋方式遷移。
在本發明蒸發源放電區內，頂部磁極50發出的磁力線向磁鐵48上部聚集，形成錐形聚焦狀磁場。在這樣的磁場中，由陰極燈絲31發射出的電子將沿磁力線向坩堝39匯聚，在運動過程中與氣體原子碰撞所產生的電子一起形成密度更強的電子束射向坩堝，加熱坩堝內的膜料。
蒸發源的工作原理如下首先將真空室抽至本底壓強(例如5×10-3Pa)，將工作氣體通入供氣管，使放電室的壓強達到氣體放電壓強(例如2×10-1pa)。陰極燈絲被施以地電位，陽極施以正電壓，而且陰極與陽極構成回路。與此同時，將熱陰極燈絲施加直流或交流電流，使之被加熱到熱電子發射溫度，當有相當數量熱電子發射后，熱電子在電場的作用下，將沿磁力線以螺旋運動的方式向坩堝遷移。在此過程中電子與氣體原子或分子發生碰撞，使氣體的原子或分子發生離化，產生大量的離子和電子。其中電子繼續向坩堝移動并轟擊坩堝產生大量的熱量，當坩堝內的膜料被加熱至蒸發溫度時，膜料的原子或原子團將從坩堝揮發出來，沉積在基片的原子或原子團將凝聚形成薄膜。
在本蒸發源工作時會產生多種離子，首先工作氣體(如氬氣)原子被離化后產生氬離子，第二，如果有反應氣體饋入也將被離化產生離子，第三，被蒸發出膜料的原子或原子團也將部分被離化產生離子。這些離子則在霍爾電場的作用下，向上加速并以一定的能量向基片運動，工作氣體所產生的離子將對基片進行轟擊，從而實現離子輔助鍍膜的目的。其它離子將于到達基片前或到達基片時發生反應形成薄膜，達到反應鍍膜的目的。
蒸發源的蒸發速率與達到陽極的電子束的功率成正比，假設Ine為到達陽極的電子束流，Vd為放電電壓，則到達陽極的電子束的功率P可表示為P ∝ IneVd在其他條件不變的情況下，陽極電流增加，蒸發速率增加；陽極電壓增加，蒸發速率增加。
當被蒸發金屬膜料的熔點高于燈絲的熔點時，蒸發的膜料會沉積在燈絲表面，造成燈絲中毒，使燈絲不能正常發射熱電子，導致蒸發源不能工作。在這種情況下，可采用其它形式的電子源(如空心陰極電子源)，將這種電子源安置在蒸發源的一側，使得電子源不被沉積，以保證電子源正常工作。
按本發明設計的一種蒸發源，離子源的直徑為146mm，頂部磁極口徑(內徑)為66mm，放電室的高度為25mm，磁鐵直徑為26mm，放電室中心位置磁場的磁感應強度的垂直分量為0.045T。
當氬氣流量為5.0sccm，陰極燈絲為鎢絲，直徑為0.6mm，燈絲電流為27.3A，真空室壓強為5×10-2Pa時，其陽極電壓與電流的關系如圖4所示。由此可見，蒸發源典型的工作條件為，電壓100-1000伏，電流0-10安培。這樣的工作條件避免了高電壓放電，使蒸發源能夠穩定工作。
本發明不限于軸對稱的圓形蒸發源，本發明蒸發源可為不同形狀，如將圖3所示，蒸發源沿垂直于對稱軸方向在可加工范圍內延伸，可以形成“口”型或“O”型結構，延伸長度為80-2000mm。
本發明所述蒸發源即可用來蒸發金屬膜料鍍制金屬薄膜，也可以用反應鍍膜的方式來蒸發金屬膜料鍍制非金屬薄膜。將反應氣體(如氧氣、氮氣)與工作氣體(如氬氣)同時通入放電室內，被蒸發的金屬膜料原子或原子團將與反應氣體的原子、離子發生反應生成非金屬分子并沉積在基片表面形成薄膜，薄膜的成分可以通過改變反應氣體的供給流量來控制。
本發明所述蒸發源即可用來蒸發鍍膜，也可以用來對基片進行鍍前清洗，將蒸發源的放電功率降至膜料不被蒸發，即可以用蒸發源放電產生的離子對基片進行清洗。如果將蒸發源的坩堝內放置難熔金屬或石墨，蒸發源可用做離子源，對基片進行高強度清洗。
本發明所述蒸發源實現了鍍前清洗、蒸發和離子輔助等功能的一體化設計可節約設備制造成本，增加了薄膜的附著力和密度等，提高了薄膜質量。
在中等電壓和電流下工作，利于大功率穩定工作。將反應氣體直接饋入蒸發源并使其離化，與用金屬膜料原子或原子團進行反應鍍制非金屬膜，利于增加反應程度和控制薄膜的化學配比。
圖1是空心陰極型蒸發源示意圖。空心陰極型蒸發源1，偏轉電磁線圈2，空心陰極3，電子束水平移動線圈4，電子束水平移動磁極5，電子束6，坩堝7，坩堝8圖2是端霍爾離子源示意圖。端霍爾離子源20，布氣孔21，陰極燈絲22，放電區內磁力線23，放電區24，陽極25，外磁極26，頂部磁極27圖3是本發明霍爾型離子輔助離子源示意圖。陰極燈絲31，陽極32，33-供氣管道，34-進水口，35-出水口，36-法蘭背板，37-陶瓷絕緣墊，38-放電區，39-坩堝，40-水冷槽，41-陽極固定螺栓，42-布氣板，43-布氣槽，布氣孔44，密封圈45，絕緣墊圈46，背磁極47，磁鐵48，外磁極49，頂部磁極50，水冷槽51。
圖4是霍爾型離子輔助離子源工作時陽極的電流與電壓的關系
權利要求
1.一種霍爾型離子輔助蒸發源，由陰極燈絲(31)、陽極(32)、供氣系統、磁路等部件組成，其特征在于蒸發源通過法蘭背板(36)安裝在未詳細說明的真空室壁上；在蒸發源的上部安裝有可發射熱電子的陰極燈絲(31)，燈絲可用鎢、鉭具有高熱電子發射率的材料制造，燈絲通過陶瓷絕緣墊(37)與離子源其他部件絕緣；在放電室(38)下部安裝了陽極(32)，在陽極上構造出裝載膜料的坩堝(39)，坩堝底部有水冷室(40)，陽極通過螺栓(41)與下部的布氣板(42)連接；在布氣板上構造出環型布氣槽(43)，在布氣槽頂部有沿圓周均勻分布的供氣孔(44)；工作氣體和反應氣體由供氣管(33)進入環型槽內，然后由供氣孔沿圖中所示方向向放電室內供氣；另外，在布氣板上還構造出冷卻水的進水口(34)和出水口(35)；冷卻水由進水管道進入到冷卻水槽，經循環與陽極熱交換后由出水口流出，以保證坩堝被充分冷卻，避免坩堝及其他部件被燒毀；為了防止外磁極和頂部磁極受轟擊而過熱，可對其進行水冷，頂部磁極上部構造出了水冷槽(51)，在水冷槽中通入循環水可以對磁極進行有效冷卻。
2.按照權利要求1所述的霍爾型離子輔助蒸發源，其特征在于在布氣板(42)的下部是絕緣墊圈(46)和金屬墊圈(45)，它們的作用是保持布氣板和背磁極(47)間的空間可以放置磁鐵(48)，并且使陽極(32)和布氣板(42)與法蘭背板(36)絕緣；蒸發源的磁路由背磁極(47)、磁體(48)、外磁極(49)和頂部磁極(50)組成，該磁路在放電室內形成的磁場分布，使電子能夠匯聚在坩堝內，磁場在坩堝表面磁場沿垂直方向的磁感應強度為0.02至0.08T(特斯拉)。
3.按照權利要求1所述的霍爾型離子輔助蒸發源，其特征在于蒸發源沿垂直于對稱軸方向在可加工范圍內延伸，可以形成“口”型或“O”型結構，延伸長度為80-2000mm
全文摘要
本發明提供了一種霍爾型離子輔助蒸發源,由陰極燈絲(31)、陽極(32)、供氣系統、磁路等部件組成,其特征在于:蒸發源通過法蘭背板(36)安裝在未詳細說明的真空室壁上。在蒸發源的上部安裝有可發射熱電子的陰極燈絲(31),燈絲通過陶瓷絕緣墊(37)與離子源其他部件絕緣;在放電室(38)下部安裝了陽極(32),在陽極上構造出裝載膜料的坩堝(39),坩堝底部有水冷室(40),陽極通過螺栓(41)與下部的布氣板(42)連接;在布氣板上構造出環型布氣槽(43)。本發明的優點在于:可以用來鍍前清洗,在用金屬膜料鍍制非金屬膜時,可以將反應氣體直接饋入蒸發源內并使其離化,從而進行反應鍍膜,增加反應程度。
文檔編號C23C14/24GK1380439SQ02116688
公開日2002年11月20日 申請日期2002年4月16日 優先權日2002年4月16日
發明者楊會生, 王燕斌, 熊小濤 申請人:北京科技大學