专利名称：用于制膜设备的多用途等离子体喷枪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及制膜设备，特别是用于制膜设备中的掺杂与活化气体的一种装置。
薄膜科学与技术是新材料发展前沿最活跃的领域之一。为了探索新材料和制备高性能的薄膜材料，人们采用了各种手段和措施，如采用活性气体提高薄膜质量，采用掺杂获得新材料和改善薄膜性能，这些都是目前制备薄膜普遍使用的方法。为了得到活性气体，有的采取微波激励，如文献(1)C.Niuetal.，Science Vol.261，334(1993).有的采用臭氧发生器，如文献(2)T.Terashima et al.，Phys.Rev.Lett.Vol.65，2684(1990).有的采用离子束源，如文献(3)X.D.Wuet al.，Appl.Phys.Lett.Vol.65，1961(1994).这些活化气体方法不仅装置与设备复杂成本高，而且由于管道传输中的分解与复合等原因，一般到达真空室里的活化气体仅为5％～13％，其效果也还不够理想。为了掺杂，制膜设备的发展趋势是将不同的制膜方法与设备复合起来，使制膜设备愈加复杂和庞大。总之，无论活化气体或是掺杂，多数都需要一个专门的设备或特殊装置，不仅花费多成本高，而且由于系统复杂操作也是极为不方便。
本实用新型的目的在于克服上述已有技术和方法的缺点，提供一种结构简单、可方便用于制膜设备既可活化气体又可同时进行掺杂的多用途等离子体喷枪。
本实用新型的任务是这样完成的本实用新型利用气体电晕放电(或射频放电)与尖端放电的特性，制成由绝缘管、2个电极、保护限流电阻、电源和法兰组成的串联式双放电多用途等离子体喷枪。绝缘管同时是工作气体的导入管，绝缘管可用石英、玻璃、氧化铝或陶瓷等绝缘材料。绝缘管做成前端有1-10个锥形喷嘴，按需要也可作成弯形，目的是使喷嘴朝向和接近工作区，使活化气体和掺杂物直接到达衬底。用金属法兰将绝缘管带有喷嘴端密封固定在真空室内，绝缘管与法兰之间的密封联接，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、氟橡胶密封或可伐烧封等不同做法。法兰与真空室之间采用橡皮、氟橡胶或金属“O”环密封联接。限流电阻与绝缘管中心的电极引出端和电源的高压输出端联接，绝缘管外的电极可直接通过法兰接地。
图1是本实用新型结构示意图。
图面说明如下1-色缘管；2-电极(筒状)；3-电极(柱状)；4-限流电阻；5-电源；6-法兰；7-进气口根据真空制膜的工作气压决定绝缘管(1)前端喷嘴的大小，通过控制通气流量来控制绝缘管(1)里的气压。使绝缘管(1)里的气压维持在容易产生电晕放电(或射频放电)的几百乇到几乇。此时当电源(5)的输出电压值上升到一定电压时，在电极(2)和电极(3)之间就会产生均匀的电晕放电(或射频放电)，同时一般真空室外壁都是金属材料并且接地，电极(3)接高电位，电极(3)就会对真空室产生尖端放电。
下面结合三个主要用途做进一步说明1.活化气体如果把本实用新型提供的等离子体喷枪用于活化气体，电极(3)就选用与工作气体不易起反应的导体材料。如工作气体是氧气，可选用铝或白金做电极(3)，因为白金不易氧化，而铝氧化后在表面可形成稳定的氧化铝薄膜。当氧流过电极(2)与电极(3)的电晕放电和电极(3)与真空室的尖端放电，就产生化学性质活泼的臭氧和原子氧，而且无损失的直接喷入工作区，因此活化效率很高。
2.掺杂如果把本实用新型提供的等离子体喷枪做成掺杂源来使用，并且掺杂材料是导体。电极(3)就用被掺杂材料来制作。具体说，如想在薄膜中掺入铜，电极(3)就用铜制作。工作气体可以用氩气。此时电晕放电产生的离子氩就会撞击溅射出铜元素，并同时被气流携带进工作区并到达制膜的衬底。若掺杂源材料是气相的，可直接通入或混含氩、氦气体通入绝缘管(1)，被电场分解或活化后直接到达衬底。
3.活化气体和掺杂并用有些工作即需活化气体又需掺杂。此时，本实用新型提供的等离子体喷枪可以活化气体与掺杂并用。如想在钇钡铜氧超导薄膜中掺入银以提高薄膜的电流密度，在此情况，除了制备氧化物超导薄膜所需活性氧外，还要掺入杂质银，因而可选用银丝做电极(3)，工作气体使用纯氧或氧与氩的混合气体，被溅射的银与活化的氧就可同时到达衬底。
综上所述，本实用新型提供的等离子体喷枪不仅可以活化气体、掺杂，还可以活化气体与掺杂并用，因此本实用新型所提供的等离子体喷枪是一种用于制膜设备的多用途等离子体喷枪。
本实用新型的优点在于若将本实用新型提供的等离子体喷枪用于产生活化氧，在真空室中可得到浓度大于20％的臭氧。若将本实用新型提供的等离子体喷枪用于掺杂，随着电场强度的增加，被掺杂物电极(3)被溅射的速率随之增加，工作气体若使用氩的混合气体或氩，溅射速度就更大，因而可调节和控制掺杂浓度。
第二若把绝缘管(1)前端的喷嘴做成几十微米的小孔，在满足绝缘管(1)里气体电晕放电(或射频放电)气压的条件下，在绝缘管(1)里外可产生六、七个数量级的气压差，因此本实用新型所提供的多用途等离子体喷枪，可用于不同的制膜方法和不同真空度要求的多种制膜系统。不仅可用于工作气压从几百乇到几乇的激光淀积、化学淀积等制膜设备，也可以用于工作气压仅为10-5～10-7乇的可制备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统。
在制备大面积薄膜时，为了得到均匀的气流分布与掺杂，可以采用几个喷嘴并联，也可以将几个等离子体喷枪并联。为了增大放电功率，也可将电极(2)做成夹层水冷套形，并通水冷却，进一步提高活化气体密度和掺杂浓度。
图2是多喷嘴结构示意图。
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细地说明实施例1按附图1制作一活化气体等离子体喷枪装置。
用外径φ5mm壁厚0.5mm的石英管烧制成绝缘管(1)，在绝缘管(1)前端烧拉后磨出通径约φ0.5mm的喷嘴，把宽100mm厚0.1mm的不锈钢板在绝缘管(1)距喷嘴10mm处包两圈制成电极(2)，并用导线将电极(2)与接地法兰(6)相接。用φ1mm的碳棒做电极(3)，电源(5)选用输出7500V，200mA的自制交流变压器。把变压器的输出端一端接地，另一端与电阻(4)相联。选用100W50KΩ的绕线电阻做保护限流电阻(4)，它接在电极(3)和变压器的高压输出端上。用氟橡胶“O”环将绝缘管(1)密封联接在CF35的法兰(6)上。选用氮气为工作气体，制成用于激光制膜设备，制备超硬碳氮薄膜的活性等离子体喷枪。
实施例2制作一活化气体等离子体喷枪装置。
按实施例1做，绝缘管(1)前端喷嘴约为φ0.05mm，用φ0.5mm的白金丝做电极(3)，经可伐过渡把绝缘管(1)烧封在CF35的法兰(6)上，制成用于分子束外延的活化气体等离子体喷枪。
实施例3制作一掺杂等离子体喷枪装置。
按实施例1做，用铜丝做电极(3)，选用功率500W，频率为13.6M的射频电源做电源(5)。选用氩为工作气体，制成掺铜的掺杂等离子体喷枪。
实施例4制作一个活化气体与掺杂并用的等离子体喷枪。
按实施例1做，绝缘管(1)的前喷嘴为φ1mm，选用φ1mm的银丝做电极(3)，选用功率500W、频率为13.6M的射频电源做电源(5)，制成用于激光制膜设备，制备YBCO超导薄膜并在YBCO薄膜中掺入杂质银的活化气体与掺杂并用的等离子体喷枪。
实施例5制作如图2所示的四喷嘴等离子体喷枪。
用外径φ10mm，壁厚0.5mm的玻璃管烧制绝缘管(1)，在绝缘管(1)前端烧制四个外径φ5mm壁厚0.5mm，通径0.05mm的喷嘴，四个喷嘴相互平行，分布在边长为40mm正方形的四个顶角。用外径φ7mm的铝棒做电极(3)，电极(3)伸向四个喷嘴的部分用外径φ1mm的铝丝。用聚四氟乙烯做外径φ9mm内径φ7mm长2mm中间开口1mm的不封口环2个，套在电极(3)与绝缘管的中间，固定电极(3)，开口处为通气用。电源(5)选用功率800W，频率为5.6M的射频电源，制成用于激光制膜设备的活性氧等离子体喷枪。
实施例6制作一个大功率等离子体喷枪装置。
按实施例4做，用不锈钢制成内径φ5mm(与绝缘管(1)滑配)，外径φ10mm的夹层水冷型电极(2)。
权利要求1.一种用于真空制膜设备的掺杂与活化气体的多用途等离子体喷枪，包括绝缘管(1)、电极(2)，(3)、限流电阻(4)、电源(5)和法兰盘(6)。绝缘管(1)前端做成1-10个锥形喷嘴，用法兰(6)把绝缘管(1)密封固定在真空室内，绝缘管(1)的进气口(7)、电极(3)的引出端和限流电阻(4)留在真空室外。电极(2)与地端相联，限流电阻(4)与电极(3)和电源(5)的高压端相联。其特征在于电极(3)是装在绝缘管(1)内，电极(2)包覆在绝缘管(1)外，电极(2)与电极(3)之间由绝缘管(1)隔开。
2.按权利要求1所述的用于真空制膜设备的多用途等离子体喷枪，其特征在于还包括把圆筒电极(2)作成一个夹层水冷套型。
3.按权利要求1所述的用于真空制膜设备的多用途等离子体喷枪，其特征在于所述的电源包括交流电源和射频电源。
专利摘要本实用新型涉及制膜设备，特别是用于制膜设备中的掺杂与活化气体的一种装置。本实用新型为提供一种结构简单、直接安装在真空室内的既可用于掺杂又可用于活化气体的多用途等离子体喷枪。本实用新型采用电晕放电与尖端放电串联的双放电结构。把呈锥形的绝缘管(1)用法兰盘密封固定在真空室内，电极(3)与限流电阻(4)相接，限流电阻(4)的另一端与高压电源(5)的高压输出端相接，电极(2)与地端相接组成。该装置可用于多种制膜设备中，使用简单方便，是一种探索新型薄膜材料和制备高质量薄膜的实用装置。
文档编号H05H1/26GK2270341SQ9621904
公开日1997年12月10日 申请日期1996年9月16日 优先权日1996年9月16日
发明者吕惠宾, 杨国桢, 周岳亮, 王会生, 陈正豪, 崔大复, 何萌 申请人:中国科学院物理研究所