一种用于类金刚石镀膜的矩形离子源

作者:夏先春;高强 刊名:《中小企业管理与科技》 上传者:方黎

【摘要】本文介绍了一款自主研制的用于模具,工具以及医疗器具等要求功能性镀膜的离子源,并论述了其工作原理,此离子源具有大束流、低能量和大辐照面积等优点。利用该源,采用离子束辅助沉积的方法,在SUS304材料基体上制备DLC(类金刚石)薄膜。并对离子源的永磁场强度进行了研究和分析。实验结果表明,该源的离子流分布均匀性较好,制备的DLC(类金刚石)薄膜摩擦系数小、硬度高、耐磨性好、耐高温、化学性能稳定。

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0引言为了满足于工业用大面积离子源辅助镀膜和等离子体清洗,我们利用现有的矩形气体离子源技术研制了一种矩形离子源,此源的尺寸(长度宽度高度)(L)768mm(W)200mm(H)97mm,采用永磁铁提供磁场。1矩形气体离子源根据反应离子镀技术理论,在真空室中一个磁控靶用于大量溅射金属粒子,另一个极端非平衡严重毒化的磁控靶主要用于产生反应气体离子。在反应镀膜一致的情况时,反应气体的进气量就可能相应减少,磁控靶面毒化的状况也会相应降低,展宽反应溅射镀膜过程的控制窗口。因此,气体离子源(GIS)产生反应气体等离子体逐渐被人们来代替深度毒化非平衡磁控源使用。为了能够兼容磁控溅射系统的工作,气体离子源需满足以下技术条件:1不需要灯丝、空心阴极、热阴极、栅极,避免金属溅射污染在气体离子源上产生。另外,具有良好的绝缘性,较长的使用寿命,并降低维护频率。2为了保证镀膜区域能够均匀分布气体,气体离子源应该与矩形磁控溅射源完全匹配,从而结构设计应为矩形。3不受制于气体的类型,即不论是惰性气体还是反应性气体,或者是二者的混合气体,均适用。根据以上技术要求,我们研制了一种阳极层流型,矩形气体离子源。如图1:图1矩形气体离子源工作气体直接通入靶体,由出气缝隙进行均匀布气和离化。该源采用内装结构,靶体和阳极分别水冷,下端内法兰密封,所有冷却水、进气口和电极接头都在端法兰上,安装方便。我们设计的离子束基本参数如下:(L)768mm(W)200mm(H)97mm。离子源主要由水冷系统、磁铁组、阳极、压板、阴极、绝缘柱、安装座、进气系统组成。对于缝隙长度为1250mm的矩形气体离子源,工作电流可达到300mA以上。在真空度进入10-2Pa的较高真空度后,气体进气量可在5-150sccm之间。该气体离子源的主要特点是电压可以直接施加在离子源阳极和被镀工件之间。从离子源狭缝飞出的气体离子直接由离子源电源获取动能轰击到工件表面。该气体离子源的主要特点是电压可以直接施加在离子源阳极和被镀工件之间。从离子源狭缝飞出的气体离子直接由离子源电源获取动能轰击到工件表面。我们研制的矩形气体离子源,磁场是由19mm19mm12.5mm的永磁铁结构产生,其各部件的材料、尺寸、参数如表一所示。表1离子源不同部件的材料尺寸参数部件名称材料尺寸参数磁轭纯铁609.51910(mm)相对磁导率:7500磁柱钕铁硼191912.5(mm)相对磁导率:1.22离子源的汇聚气离溅射气体离子源的布气方向与磁控溅射镀膜区域重叠,气体离子源对反应气体进行离化和布气,在离子源电源电场的作用下,大量气体离子获得动能(温度)飞向工件表面,产生轰击作用,从而有效地增强了磁控溅射的反应离子镀膜效应。在气离溅射镀膜系统统一时,将气体离子源布气方向转离开磁控溅射靶的镀膜区域,实现了磁控溅射金属镀膜过程和气体离子源离化轰击反应过程在空间上的分离,一个工件在通过磁控溅射对靶时涂覆金属性膜层(纳米膜层),再移动到气体离子源面前时进行反应气体离子的轰击反应过程(如氮化),这就是我们最新提出的空(间)分(离)气离溅射反应离子镀膜技术。3类金刚石膜制备类金刚石膜(DLC)具有摩擦系数小、硬度高、耐磨性好、耐高温、化学性能稳定等优点,已在机械、光学、电子、生物医学等方面得到广泛应用。当前对DLC膜的研究越来越多,沉积方法也多样,采用离子源沉积类金刚石膜是近几年发展起来的一种新技术。在沉积过程中,形成SP3键所需要的最小离子能量为30eV,随着离子能量的增加SP3键的含量也随之增加。理论上当给离子源充入乙炔(C2H2)或甲烷(CH4)等反应气体时,离子

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