一种多束动态混合注人技术及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及混合离子注入，特别是涉及一种多束动态混合注入技术。 本发明专利技术采用多束注入－沉积动态混合工艺，解决了高真空电弧金属等离子体喷射沉积束与离子束动态混合过程中的真空（１）↑［－３］～１０↑［－７］Ｐａ）匹配和多元素化合物形成过程中的化学配比及活化等技术难题。实现了高质量（Ｌ↓［Ｃ］≥１０↑［－４］ｇｆ）高效率（沉积率１０～５０Ａ／ｓ）动态混合新工艺。主要用于多元素的表面陶瓷化、合金化和多元素功能膜的形成及材料表面改性等。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及混合离子注入，特别是涉及一种多束动态混合注入技术。目前，离子注入与物理气相沉积相结合的表面技术，即离子束辅助涂层、离子束增强沉积和离子束混合注入等技术，虽然可明显地使膜-基结合力和成膜质量得到改善，但也存在不少难以解决的问题其一，不便实现多元素表面合金化和陶瓷化;其二，由于沉积束能量和电离度低，造成化学活性差、晶体生长不好;其三，沉积束与注入束线的真空匹配和化学配比得不到解决。专利技术人在一篇申请号为92100416.8专利技术名称为弧源-多离子束材料表面改性技术的专利文献中发现权利要求3提到离子束注入源(9)、离子束溅射源(6)、弧源(2)可以同时工作……，但在说明书中给出弧源工作的真空度为2.5～4.0×10-1Pa。在这种条件下，弧源能工作，但离子束注入源无法工作。因为离子束源要想正常工作必须满足真空度为6×10-3～10-7Pa的条件下才行。针对上述专利技术存在的问题，专利技术人专利技术了一种多束动态混合注入技术及其装置，其主要目的就是解决沉积束与注入束线的真空匹配、解决在化学配比状态下的动态混合注入等技术难题，以便于形成多元素金属间化合物、多元素表面陶瓷化、多元素表面金属化和合金化。该装置具有离子束、电子束、等离子体束、原子束等四种载能粒子束线，其中离子束有高、中、低能三条束线，等离子体束有四条高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线，原子束有二条溅射原子(分子)束线。在离子束能量达到3.0～100Kev，束流为100～600mA时，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束可以在10-3～10-7Pa条件下稳定工作，解决了动态混合注入-沉积的真空匹配和化学配比的难题。已有技术之所以不能在高真空条件下实现真空匹配与化学配比，原因是弧源在高真空条件下不能工作。本专利技术中的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源不同于一般的弧源，它是一种电控气动触发的高电离度的高真空电弧，其真空弧阴极靶可做成各种元素的复合靶和单质元素靶，另外又附加一个辅助阳极靶，等离子体发射角小于30°，控制100～600mA强流离子束的动态混合实现化学配比状态。本专利技术动态混合过程实现了超μm级的物性过渡层，解决了一般镀膜在超过5μm厚度时，因界面效应、内应力效应所造成膜层裂脱的难题，解决了动态混合TiN高速沉积的难题。其平均沉积率达到10-40 /S，得到20～30μm高结合力Lc≥104gf的超厚TiN膜层。该装置是由束线系统、真空机械系统、测量供电控制系统、水气路辅助系统所组成，其主要特征是其一，在φ2×5m圆柱形横卧式的真空室上方设有注入、混合用的能量30～100KeV，束流100～600mA高能离子束线源，经过高真空插板阀与真空室相连，其二，在真空室侧面设有活化、混合、注入用的一至多个能量1.0～20KeV、束流40～600mA中能射频离子、电子束线源位于高能离子束线源的一侧，经过过渡管道与真空室相连。其三，在真空室侧面还设有与高能离子束线源纵轴成30～90°角，弧压15～80V，弧流30～80A的电控气动触发的高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源，经过过渡管道与真空室相连。其等离子体发射角小于30°，真空弧阴极靶可做成各种元素的复合靶和单质元素靶，另外又附加一个辅助阳极靶，其四，真空室内，在注入、混合用的高能离子束线源的下方设有测量强束流，大束斑的大法拉弟筒(400×300mm)位于水冷、绝缘平动靶台上，用来直接测量离子束、电子束的总束流密度，另外，在水冷、绝缘平动靶台上，还设有测量束流分布的多功能探测器(接收孔φ8mm的小法拉弟筒)，其五，为了提高注入、沉积、活化和动态混合效率，在真空室内水平轴线之下设有面积2.5×1m，扫描范围2.5×1m，承重1000kg，沿着x，y两个方向扫描的水冷、绝缘平动靶台以及在该靶台上还设有可以公转、自转、倾斜(公转角θ，自转角ψ，倾斜角β)的转动靶台，公转5～10转/分，自转10～60转/分，倾斜角0～90°，为了保证靶台工作的低速和平稳，采用了体积小、重量轻和传动比大的新型谐波齿轮减速器，使靶台的传动装置结构紧凑，运动平稳，其六，高、中能离子束线、高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线、原子(分子)沉积束线按一定角度要求保证各条束线同时会聚于工作靶面，除此之外，用于溅射形成原子束的能量1～KeV速流100～600mA低能溅射离子束线源位于高能离子束线源的一侧，经过过渡管道与真空室相连，它是一种线会切磁约束位形场筒式源，原子束发射靶位于高能离子束线源一侧与低能溅射离子束线源成15～35°角，以低能强流离子束溅射水冷平面发射靶产生原子(分子)束。该装置的进一步特征是其一，注入混合用的高能离子束线源，它是由放电室和离子束线源引出系统所组成，为了减少等离子体的壁损失，增加等离子体的密度和均匀性，放电室内设有多个热电子发射器，放电室壁采取了横向跑道形线会切磁约束位形场，放电采取潘宁放电方式，为了达到离子束线源引出系统在30～100KV情况下都能与等离体发射能力良好匹配引出强流离子束，其离子束线源引出系统为大面积多孔栅三电极加减速系统，离子束线源引出系统的第一间隙在4～16mm之间连续可调。其二，活化、混合，注入用的中能射频离子、电子束线源是一种无阴极电感耦合的射频放电离子、电子束线源，其等离子体发生器采取纵向直线形线会切磁约束位形场，采用多孔栅双电极系统作为引出加速系统，采用1～20KV正高压电源场引出加速离子束，采用1～20KV负高压电源场引出加速电子束。其三，为了保证各束线同时会聚于工作靶台，它们之间相对位置关系是高能离子束线源纵轴垂直于工作靶台、中能射频离子、电子束线源纵轴与高能离子束线源纵轴成25～35°角，高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源纵轴与高能离子束线源纵轴成30～90°角，低能溅射离子束线源纵轴与水冷平面发射靶成15～35°角。 附图说明真空室、等离子体发生器、中能射频离子、电子束线源、高能离子束线源、放电室、热电子发射器、离子束线源引出系统、高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线源、水冷平面发射靶、低能溅射离子束线源、转动靶、水冷、绝缘平动靶。该项专利技术由于采用多束动态混合注入-沉积能在高真空下实现真空匹配，减少污染。采用强流离子束动态混合解决了化学匹配，提高化学活性，成膜速度快、质量好，克服了一般涂镀的膜-基界面效应、择优生长和内应力等缺点，得到20～30μm的高结合力超硬耐蚀膜层。主要用于金属、合金、陶瓷、高分子聚合物、半导体和生物等工程及功能材料的表面改性和表面涂层，前景十分广阔。本专利技术的多束动态混合注入技术及其装置所完成的多束动态混合注入技术，是在载能离子束、原子束、电子束和等离子体束等多束与固体表面同时相互作用，通过动力学、热力学、电磁学、化学和冶金学等过程发生各种异相反应而达到表面改性目的的，而其最重要的过程是对多种元素形成C、N、O化合物的过程。各种化合物的形成过程，主要取决于设备对多种元素的提供能力和参与化合反应的化学活性潜力，各种物质在离化电离等离子体态、离子束和激发亚稳的原子束态以及电子束状态都有极大的化学活性。因为它们之中存在各种能量的活性基团，离子和电子的电磁相互作用以及热化学活性潜力，增强价电子转移能力，大幅度的提高固体表面异相反应速度和降低反应温度，而且，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多束动态混合注入装置是由束线系统、真空机械系统、测量供电控制系统、水气路辅助系统所组成，其特征在于，它还包括：ａ）在真空室［１］上方设有注入、混合用的能量３０～１００ＫｅＶ、束流１００～６００ｍＡ的高能离子束线源［４］，ｂ）在真 空室［１］侧面设有活化、混合、注入用的一至多个能量１. ０～２０ＫｅＶ、束流４０～６００ｍＡ中能射频离子、电子束线源［３］，ｃ）在真空室［１］侧面还设有与高能离子束线源［４］纵轴成３０～９０°角、弧压１５～８０Ｖ、弧流３０～８０Ａ的高真空 电弧金属等离子体喷射沉积束线源［８］，其等离子体发射角小于３０°，ｄ）真空室［１］内，在注入、混合用的高能离子束线源［４］的下方设有测量强束流、大束斑的大法拉弟筒，还设有测量束流分布的多功能探测器（小法拉第筒），ｅ）在真空室［１］内 水平轴线之下设有沿着ｘ，ｙ两个方向扫描的水冷、绝缘平动靶台［１２］，ｆ）在平动靶台［５］上设有可以公转、自转、倾斜（公转角θ、自转角＊、倾斜角β）的转动靶台［１１］，ｇ）高、中能离子束线、高真空电弧金属等离子体喷射沉积束线、原子（分 子）沉积束线按一定角度要求保证各条束线同时会聚于工作靶面，。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙振湖，尤竹平，任春生，阎堃，郭宝海，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]