专利名称：射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方法
技术领域：
本发明涉及细长管的内表面离子注入表面改性方法。
技术背景细长管内表面离子注入一直是一个较为棘手的问题。釆用传统的束线离子 注入，由于离子无法在管内拐弯，细长管内壁注入几乎不可能。近些年提出了 一种等离子体浸没离子注入表面改性方法。基本原理是管筒放在真空室内，真空室内产生等离子体，等离子体通过扩散进入到管筒内，然后在管上施加负 偏压，这样离子就被加速注入到工件表面。由于管内等离子体是靠扩散进入的， 密度梯度(密度不均匀性)是必然的。如果管很长、很细，管内部深处可能得 不到等离子体，注入也就无从谈起。后来有人提出了内部射频等离子体源的方法，如姜国专利5693376公开了筒型表面等离子体离子注入与沉积方法(Method for plasma source ion implantation and deposition for cylindrical surfaces)。如图2所示，禾拥中心电极耦合射频功率来获得管内部的等离子体，同时被处理的管 上施加负偏压进行离子注入或沉积。由于在管上施加负偏压时管内部没有嵌位 的地电极，离子注入的能量不可能很高。为此中国专利2!^1115523卫公开了一 种新的结构(一种管状工件内表面改性的方法)。如图3所示，在管筒内部中心 加入一个射频天线，外套网状金属地电极。注入高压施加在网状地电极和管筒 工件之间。等离子体在中心射频电极和地电极间产生，等离子体扩散出来，被 负高压吸引获得管筒内壁的离子注入效应。这样有内部的等离子体源，同时又 有地电极嵌位，可以有效实现离子注入。但该专利由于在管内加入了中心射频 电极和地电极，使得处理的管筒直径不可能较小。 发明内容本发明的目的是提供一种射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，以克服已有技术在管筒与射频天线之间设置网状金属地电极的结构所带来 该技术不能应用于管筒直径细情况的缺陷。本发明的方法包括下述步骤一、 需要表面改性的管筒1置于密闭容器2内并把管筒1接地，射频天线3的一端 插入密闭容器2内并且位于管筒1内的中心线处；二、通过射频天线3向管筒1 内间歇性发射射频电磁波，管筒l内的气体发生电离，从而在管筒l内产生等 离子体；三、在射频电磁波的发射间歇期间给射频天线3通以正高压脉冲，射 频天线3与接地的管筒1间形成高压电场，管筒1内的正离子受到高压电场的 作用，飞向管筒l内壁、完成离子注入。
图1是本发明的结构示意图，图2是美国专利5693376公开的筒型表面等 离子体离子注入与沉积方法的示意图，图3是中国专利ZL01115523.X公开的管 状工件内表面改性的方法的示意图，图4是本发明射频电磁波与正高压脉冲的 一种相序关系示意图，图5是射频电磁波与正高压脉冲的另一种相序关系示意 图，图6是本发明方法得到的沿管筒长度方向等离子体密度相对分布的示意图， 其中横轴为管筒长度方向，纵轴为等离子体密度值。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由下述 步骤组成 一、需要表面改性的管筒1置于密闭容器2内并把管筒1接地，射 频天线3的一端插入密闭容器2内并且位于管筒1内的中心线处；二、通过射 频天线3向管筒1内间歇性发射射频电磁波，管筒1内的气体发生电离，从而 在管筒1内产生等离子体；三、在射频电磁波的发射间歇期间给射频天线3通 以正高压脉冲，射频天线3与接地的管筒1间形成高压电场，管筒1内的正离 子受到高压电场的作用，飞向管筒内壁、完成离子注入。步骤三中可采用的高压脉冲为l-50kV，脉冲频率l-500Hz，密闭容器2内 填充氧气、氮气、氩气、甲烷或乙炔等多种气体作为发生电离的气体。步骤二 中射频电磁波的功率为20W-2000W。在长度200mm、直《5 50mm的管筒1内部， 在气压为7Pa条件下测量等离子体密度相对分布如图6所示。等离子体密度在 长度方向是均匀的，等离子体在管筒1长度方向的两端略有升高，是由于边缘 效应造成的。
具体实施方式
二本实施方式与实施方式一的不同之处是步骤二和步骤 三的进行过程中，管筒1处于绕自身轴心线转动的状态。如此操作，能提高离 子径向注入管筒1的均匀性，从而补偿管筒1的径向位置偏移或放电径向不均
匀造成的离子注入不均匀。使管筒l旋转的管筒旋转装置包括电机ll、联轴器9、小齿轮7、大齿轮14、套体15、止推轴承12和支架13，电机ll的轴通过 联轴器9固定在小齿轮7的齿轮轴8上，齿轮轴8为绝缘材料，小齿轮7与大 齿轮14相啮合，大齿轮14的齿圈套在套体15的外圆表面上且与其固定，套体 15固定在管筒1下端的外圆表面上，套体15通过止推轴承12座落在支架13 上。本实施方式通过电机11以及各部件组成的传动链带动管筒1旋转。射频天 线3穿入密闭容器2之处设置有绝缘体16，电机11的轴穿入密闭容器2之处设 置有绝缘体17和动密封10，动密封10设置在绝缘体17与电机11的轴之间， 绝缘体17设置在动密封10与密闭容器2的壁之间。
具体实施方式
三本实施方式与实施方式一的不同之处是密闭容器2内 充入甲垸或乙炔气体。充入甲烷、乙炔等气体，可以实现管筒1内表面的类金 刚石薄膜沉积。
具体实施方式
四本实施方式与实施方式一的不同之处是管筒1采用Cr、 Ti、 Zr、 Fe、 Cu等阴极材料，密闭容器2内填充氩气。通过自偏压溅射效应可 以在管筒1内表面获得纯金属的涂层。
具体实施方式
五本实施方式与实施方式四的不同之处是密闭容器2内填充甲烷、氧气、氮气或乙炔等反应气体，管筒l内表面可以获得TiN、 CrN、 ZrN、 TiCN等薄膜沉积。
具体实施方式
六本实施方式与实施方式一的不同之处是射频天线3的 另一端连接有高压脉冲电路4和射频电路5，高压脉冲电路4由高压脉冲电源 4-1和低通滤波器4-2组成，高压脉冲电源4-1通过低通滤波器4-2连接在射频 天线3上以向其输出高压脉冲信号；射频电路5由射频发生器5-1、可变电容 Cl、电感L、电阻R和二号电容C2组成，射频发生器5-1的输出端连接电阻R 的一端、二号电容C2的一端和电感L的一端，电阻R的另一端连接二号电容C2 的另一端并接地，电感L的另一端连接可变电容C1的一端，可变电容C1的另 一端连接在射频天线3上。一般来说高压电路系统中不允许串入射频电路，以免击穿器件和伤人；同 时射频电路中也不能串入高压电路，以免引起器件击穿、失效。如图1所示， 通过C1、L和C2以及低通滤波器的匹配使得高压电路与射频电路之间互不干扰；
这里的关键是通过Cl和C2串联分压使得C2上获得较小的分压，从而避免高压 对射频电路的影响。低通滤波器主要由电感组成，该滤波器通低频、阻高频。 在实际工作中高压脉冲电源4-1产生的信号脉冲频率一般仅有几百赫兹，远远 低于射频频率，因而通过该低通滤波器可以有效避免射频对高压电路的影响。 脉冲高压S2与射频脉冲Sl的时序关系如图4和5所示，可以一个射频一个高 压脉冲交替，也可以在射频脉冲中间有多个脉冲。
权利要求
1、射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方法，其特征在于它包括下述步骤一、需要表面改性的管筒(1)置于密闭容器(2)内并把管筒(1)接地，射频天线(3)的一端插入密闭容器(2)内并且位于管筒(1)内的中心线处；二、通过射频天线(3)向管筒(1)内间歇性发射射频电磁波，管筒(1)内的气体发生电离，从而在管筒(1)内产生等离子体；三、在射频电磁波的发射间歇期间给射频天线(3)通以正高压脉冲，射频天线(3)与接地的管筒(1)间形成高压电场，管筒(1)内的正离子受到高压电场的作用，飞向管筒(1)内壁、完成离子注入。
2、 根据权利要求1所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于密闭容器(2)内填充氧气、氮气或氩气作为发生电离的气体。
3、 根据权利要求1所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于步骤二和步骤三的进行过程中，管筒(l)处于绕自身轴心线转动 的状态。
4、 根据权利要求3所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于使管筒l旋转的管筒旋转装置包括电机(ll)、联轴器(9)、小齿 轮(7)、大齿轮(14)、套体(15)、止推轴承(12)和支架(13)，电机(ll)的轴通过 联轴器(9)固定在小齿轮(7)的齿轮轴(8)上，齿轮轴(8)为绝缘材料，小齿轮(7) 与大齿轮(14)相啮合，大齿轮(14)的齿圈套在套体(15)的外圆表面上且与其固 定，套体(15)固定在管筒(1)下端的外圆表面上，套体(15)通过止推轴承(12)座 落在支架(13)上。
5、 根据权利要求1所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方法密闭容器(2) 内充入甲烷或乙炔气体。
6、 根据权利要求1所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于管筒(l)采用Cr、 Ti、 Fe、 Cu或Zr作为阴极材料，密闭容器(2) 内填充氩气。
7、 根据权利要求5所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于密闭容器(2)内填充甲垸、氧气、氮气或乙炔。
8、 根据权利要求1所述的射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方 法，其特征在于射频天线(3)的另一端连接有高压脉冲电路(4)和射频电路(5)， 高压脉冲电路(4)由高压脉冲电源(4-l)和低通滤波器(4-2)组成，高压脉冲电源 (4-l)通过低通滤波器(4-2)连接在射频天线(3)上以向其输出高压脉冲信号；射频 电路(5)由射频发生器(5-l)、可变电容(C1)、电感(L)、电阻(R)和二号电容(C2) 组成，射频发生器(5-l)的输出端连接电阻(R)的一端、二号电容(C2)的一端和电 感(L)的一端，电阻(R)的另一端连接二号电容(C2)的另一端并接地，电感(L)的 另一端连接可变电容(C1)的一端，可变电容(C1)的另一端连接在射频天线(3)上。
全文摘要
射频天线耦合细长管内表面离子注入表面改性方法，本发明涉及细长管的内表面离子注入表面改性方法。它克服了已有技术在管筒与射频天线之间设置网状金属地电极的结构所带来该技术不能应用于管筒直径细情况的缺陷。它包括下述步骤需要表面改性的管筒置于密闭容器内并把管筒接地，射频天线的一端插入密闭容器内并且位于管筒内的中心线处；通过射频天线向管筒内间歇性发射射频电磁波，管筒内的气体发生电离，从而在管筒内产生等离子体；在射频电磁波的发射间歇期间给射频天线通以正高压脉冲，射频天线与接地的管筒间形成高压电场，管筒内的正离子受到高压电场的作用，飞向管筒内壁、完成离子注入。
文档编号C23C14/48GK101130855SQ20071007270
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月24日 优先权日2007年8月24日
发明者杨士勤, 田修波 申请人:哈尔滨工业大学