专利名称：电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种表面处理装置及处理方法。
背景技术：
等离子体浸没离子注入技术是一项适合于对形状复杂的工件进行离子注入 表面处理的技术。在该技术中，工件被浸泡在等离子体中，工件上施加负高压 脉冲，在负高压脉冲期间，工件周围形成离子鞘层，离子在鞘层内电场的作用 下向工件表面加速运动，最终注入工件表面获得离子注入效应。
虽然等离子体浸没离子注入技术适用于对形状复杂的工件进行离子注入处 理，但是使用等离子体浸没离子注入技术处理管筒工件的内表面存在着两个十 分严重的问题，其一是离子注入能量问题，其二是等离子体源和均匀性问题。
中国专利号为96201360.9，
公开日为1998年4月15日的实用新型专利公开了 一种等离子体源材料内表面离子注入装置，该专利提出了在管筒内同轴放置地 电极来钳制注入电压以提高注入能量，该专利中等离子体是通过管口从管外扩 散进去的，所以该方法并没有解决管筒内等离子体很快耗尽的问题。为了解决 这个问题，中国专利号为01115523.X，
公开日为2004年12月4日的发明专利 公开了一种管状工件内表面改性的方法、中国专利号为03105058.1，
公开日
为2004年9月8日的发明专利公开了一种管状工件内表面改性的方法及其专用 装置和中国专利号为200310113092.6，
公开日为2004年12月4日的发明专利 公开了一种等离子体源离子注入内表面改性的装置，上述三个专利的核心是 将射频电极和栅网地电极同轴地插入管筒内，通过在射频电极和栅网(或丝状) 地电极之间施加射频功率来产生电容耦合等离子体，通过在管筒上施加脉冲负 高压和栅网(或丝状)地电极之间来建立用以加速离子的径向电场，离子通过 扩散进入栅网(或丝状)地电极和管筒内壁之间的区域，然后在电场的作用下 向管筒内壁加速运动，最后注入到管筒内壁，该专利既解决了内部等离子体的 获得问题，又能钳制电位提高注入能量，但该方法也存在不足之处由于存在 栅网，管筒内壁存在着阴影效应，注入时的气压很高，在10—30Pa之间， 一方 面会减小离子的自由程从而造成注入能量损失，另一方面也会诱导高压放电和打火损伤材料的表面，更主要的不足之处在于该方法采用的是电容耦合射频放 电，属于二极放电(径向)，电子在两个电极间做径向震荡，电极间距离很大时 电子运动过程中才能与中性气体发生足够的碰撞，由于受二极放电的帕邢
(Paschen)定律限制，中心射频电极和网状(或丝状)地电极间距就不能太小， 否则射频放电困难。要想放电成功，只能采用较大的放电距离来满足，另外网 状(或丝状)地电极和被处理管之间也需要空间，这就使得处理的管筒直径自 然不能太小。
发明内容
本发明的目的是为解决现有管筒内表面离子注入处理时因采用电容耦合等 离子体使得放电间距大而难以对细管内表面进行处理的问题，提供一种电感耦 合等离子体管筒内表面离子注入改性装置及方法。
本发明的装置包括至少一个螺线管、至少一个管筒、第一绝缘密封接头、 真空室、射频电源、脉冲负高压电源、泵组系统、匹配箱、第二绝缘密封接头、 第三绝缘密封接头、第一绝缘支架、高压电缆、第一电缆和第二电缆，射频电 源的输出端与匹配箱输入端连接，第一绝缘密封接头、第二绝缘密封接头和第 三绝缘密封接头分别设置在真空室的侧壁上，第一绝缘支架设置在真空室内的 底面上，至少一个管筒设置在第一绝缘支架上，真空室与泵组系统连接，高压 电缆的一端穿过第三绝缘密封接头与真空室内的至少一个管筒连接，高压电缆 的另一端与真空室外的脉冲负高压电源连接，至少一个螺线管设置在管筒内且
与管筒同轴设置，螺线管的一端通过第一电缆与真空室外面的匹配箱连接，且 第一电缆穿过第一绝缘密封接头，螺线管的另一端通过第二电缆与射频电源的 地极连接，且第二电缆穿过第二绝缘密封接头。
本发明的方法是通过以下步骤实现 一、利用泵组系统将真空室内的气压 抽至本底真空度5 l(^Pa ; 二、向真空室内充入气体，使真空室内的气压达到 工作气压0.1 15Pa;三、开启射频电源，设置在管筒内的螺线管放电，在螺线 管内外产生轴向均匀的电感耦合等离子体，等离子体将充满管筒的内部空间， 并且沿管筒轴向均匀分布；四、开启脉冲负高压电源，脉冲负高压通过高压电 缆施加到管筒上，在管筒内表面和螺线管之间形成径向电场，径向电场使得管 筒内表面和螺线管之间的离子被加速向管筒内壁飞去，即对管筒的内壁进行离 子注入，注入0.5~5小时；五、关闭脉冲负高压电源和射频电源，关闭泵组系统，真空室内停止真空，即完成电感耦合等离子体管筒内表面离子注入。
本发明的有益效果是由于本发明的改性装置在管筒内设置了螺线管，通 过在螺线管上施加射频功率使得管筒内产生一团沿管筒的轴向均匀分布的电感 耦合等离子体，因此具有等离子体源放电均匀的优点。由于螺线管的其中一端 接射频地电极，采用本发明的改性方法，使得螺线管在离子注入过程中起到地 电极钳制电位的作用。由于本发明采用的是电感耦合等离子体源，放电时电子 绕对称轴做蜷线运动，在很小空间内电子的运动路程就被大幅度延长，增加了 电子运动过程中与中性气体的碰撞，促进了等离子体放电，对管筒径向尺寸要 求较小，从而可以对直径更细小的管筒内表面进行离子注入处理。
图1是本发明的装置整体结构示意图，图2是具体实施方式
四的结构示意图， 图3是具体实施方式
五的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式包括至少一个螺
线管l、至少一个管筒2、第一绝缘密封接头3、真空室4、射频电源5、脉冲负 高压电源6、泵组系统7、匹配箱16、第二绝缘密封接头17、第三绝缘密封接 头18、第一绝缘支架19、高压电缆20、第一电缆22和第二电缆23，射频电源 5的输出端与匹配箱16输入端连接，第一绝缘密封接头3、第二绝缘密封接头 17和第三绝缘密封接头18分别设置在真空室4的侧壁上，第一绝缘支架19设 置在真空室4内的底面上，至少一个管筒2设置在第一绝缘支架19上，真空室 4与泵组系统7连接，高压电缆20的一端穿过第三绝缘密封接头18与真空室4 内的至少一个管筒2连接，高压电缆20的另一端与真空室4外的脉冲负高压电 源6连接，至少一个螺线管1设置在管筒2内且与管筒2同轴设置，螺线管l 的一端通过第一电缆22与真空室4外面的匹配箱16连接，且第一电缆22穿过 第一绝缘密封接头3，螺线管1的另一端通过第二电缆23与射频电源5的地极 15连接，且第二电缆23穿过第二绝缘密封接头17。螺线管1的一端连接到地 极l5，利用地极15来钳制电位以提高离子注入能量。螺线管1同时实现了两个 功能，既实现了施加射频功率后产生等离子体的功能，也提供了地电极钳制电 位的功能。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同之处在于管筒2
6的数量为2 5个，螺线管1的数量与管筒2的数量相同，2~5个管筒2平行设 置在第一绝缘支架19上，2 5个管筒2之间通过导线连接，各螺线管l之间通 过导线并联。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同之处在于管筒2 的横截面形状为圆形、方形、长方形或三角形，螺线管1的横截面形状与管筒2 的横截面形状相同。以适应特殊形状的管筒进行内表面离子注入处理。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同的是它还增加有转动机构，转动机构由第二绝缘支架24、第一轴承25、 第三绝缘支架26、第二轴承27、联轴器28和电机29组成，第二绝缘支架24 和第三绝缘支架26分别固装在真空室4内的底面上且分别位于管筒2的两端， 第--轴承25固装在第二绝缘支架24上，螺线管1与第一轴承25相对的一端设 置在第一轴承25的中心孔内，第二轴承27固装在第三绝缘支架26上，螺线管 1上与第二轴承27相对的一端穿过第二轴承27的中心孔与联轴器28连接，联 轴器28的另一端与电机29的输出端连接，电机29固装在第三绝缘支架26上。 通过转动机构使得螺线管1与管筒2之间产生相对转动，从而消除离子注入过 程中在管内壁上产生的阴影效应。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同的是它还增加有移动机构，移动机构由第二绝缘支架24、第三绝缘支架 26、联轴器28、电机29、第一导轨31、第一滑块32、第二滑块33、第二导轨 34、螺杆35和螺母36组成，第二绝缘支架24和第三绝缘支架26分别固装在 真空室4内的底面上且分别位于管筒2的两端，第一导轨31固装在第二绝缘支 架24上，第一滑块32固装在第一导轨31上，螺线管1与第一滑块32相对的 一端设置在第一滑块32的中心孔内，第二导轨34固装在第三绝缘支架26上， 第二滑块33固装在第二导轨34上，螺线管1与第二滑块33相对的一端穿过第 二滑块33的中心孔与螺母36连接，螺母36与螺杆35螺纹连接，螺杆35与联 轴器28连接，联轴器28的另一端与电机29的输出端连接，电机29固装在第 三绝缘支架26上。通过移动机构使得螺线管1与管筒2之间产生相对移动，从 而实现对很长的管筒2进行内表面处理。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的通过以下步骤实现 一、利用泵组系统7将真空室4内的气压抽至本底真空度5 10,a ; 二、 向真空室4内充入气体，使真空室4内的气压达到0.1 15Pa;三、开启射频电 源5，设置在管筒2内的螺线管1放电，在螺线管1内外产生轴向均匀的电感耦 合等离子体，等离子体将充满管筒2的内部空间，并且沿管筒2轴向均匀分布; 四、开启脉冲负高压电源6，脉冲负高压通过高压电缆20施加到管筒2上，在 管筒2内表面和螺线管1之间形成径向电场，径向电场使得管筒2内表面和螺 线管1之间的离子被加速向管筒2内壁飞去，即对管筒2的内壁进行离子注入， 注入0.5 5小时；五、关闭脉冲负高压电源6和射频电源5，关闭泵组系统7， 真空室4内停止真空，即完成电感耦合等离子体管筒内表面离子注入。步骤二 中的气体由氧气瓶8、氮气瓶9、乙炔气瓶10或氩气瓶11提供，氧气瓶8、氮 气瓶9、乙炔气瓶10或氩气瓶11分别通过针阀12与流量计13连接，流量计 13与真空室4连接，通过针阀12和微调流量计13来控制气体流量和真空室内 的气压。步骤四中在管筒2内表面形成等离子体鞘层，离子在鞘层内电场的作 用下向管筒2内表面加速运动，'注入到管筒2的内壁上，由于离子注入，使得 鞘层内的离子数目减少，离子鞘层对负偏压的屏蔽作用减弱，进而引起管筒2 内表面对电子的进一步排斥，使得鞘层边缘的电子向螺线管l方向运动，最后 终止于螺线管1处。等离子体在螺线管1的内侧和外侧均能够产生。本发明还 可以实现在管筒内表面进行薄膜沉积处理，例如沉积碳膜(DLC)，通过向真空 室4内充入乙炔等气体，管筒2内可以产生含有C离子的电感耦合等离子体， C离子在管筒2上的脉冲负高压作用下注入沉积到管筒2内表面，实现管筒2 内表面的薄膜沉积。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的气 体为氧气、氮气、乙炔气或氩气，还可以是前述气体中任意两种或两种以上气 体的混合。
权利要求
1、一种电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置，它包括至少一个管筒(2)、第一绝缘密封接头(3)、真空室(4)、射频电源(5)、脉冲负高压电源(6)、泵组系统(7)、匹配箱(16)、第二绝缘密封接头(17)、第三绝缘密封接头(18)、第一绝缘支架(19)和高压电缆(20)，射频电源(5)的输出端与匹配箱(16)输入端连接，第一绝缘密封接头(3)、第二绝缘密封接头(17)和第三绝缘密封接头(18)分别设置在真空室(4)的侧壁上，第一绝缘支架(19)设置在真空室(4)内的底面上，至少一个管筒(2)设置在第一绝缘支架(19)上，真空室(4)与泵组系统(7)连接，高压电缆(20)的一端穿过第三绝缘密封接头(18)与真空室(4)内的至少一个管筒(2)连接，高压电缆(20)的另一端与真空室(4)外的脉冲负高压电源(6)连接，其特征在于它还包括至少一个螺线管(1)、第一电缆(22)和第二电缆(23)，至少一个螺线管(1)设置在管筒(2)内且与管筒(2)同轴设置，螺线管(1)的一端通过第一电缆(22)与真空室(4)外面的匹配箱(16)连接，且第一电缆(22)穿过第一绝缘密封接头(3)，螺线管(1)的另一端通过第二电缆(23)与射频电源(5)的地电极(15)连接，且第二电缆(23)穿过第二绝缘密封接头(17)。
2、 根据权利要求1所述的电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置， 其特征在于管筒(2)的数量为2 5个，螺线管(1)的数量与管筒(2)的数 量相同，2~5个管筒(2)平行设置在第一绝缘支架(19)上，2~5个管筒(2) 之间通过导线连接，各螺线管(1)之间通过导线并联。
3、 根据权利要求1或2所述的电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性 装置，其特征在于管筒(2)的横截面形状为圆形、方形、长方形或三角形， 螺线管(1)的横截面形状与管筒(2)的横截面形状相同。
4、 根据权利要求3所述的电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置， 其特征在于它还包括转动机构，转动机构由第二绝缘支架(24)、第一轴承(25)、 第三绝缘支架(26)、第二轴承(27)、联轴器(28)和电机(29)组成，第二 绝缘支架(24)和第三绝缘支架(26)分别固装在真空室(4)内的底面上且分 别位于管筒(2)的两端，第一轴承(25)固装在第二绝缘支架(24)上，螺线 管(1)与第一轴承(25)相对的一端设置在第一轴承(25)的中心孔内，第二 轴承(27)固装在第三绝缘支架(26)上，螺线管(1)上与第二轴承(27)相对的一端穿过第二轴承(27)的中心孔与联轴器(28)连接，联轴器(28)的 另一端与电机(29)的输出端连接，电机(29)固装在第三绝缘支架(26)上。
5 、根据权利要求3所述的电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置， 其特征在于它还包括移动机构，移动机构由第二绝缘支架(24)、第三绝缘支 架(26)、联轴器(28)、电机(29)、第一导轨(31)、第一滑块(32)、第二滑 块(33)、第二导轨(34)、螺杆(35)和螺母(36)组成，第二绝缘支架(24) 和第三绝缘支架(26)分别固装在真空室(4)内的底面上且分别位于管筒(2) 的两端，第一导轨(31)固装在第二绝缘支架(24)上，第一滑块(32)固装 在第一导轨(31)上，螺线管(1)与第一滑块(32)相对的一端设置在第一滑 块(32)的中心孔内，第二导轨(34)固装在第三绝缘支架(26)上，第二滑 块(33)固装在第二导轨(34)上，螺线管(1)与第二滑块(33)相对的一端 穿过第二滑块(33)的中心孔与螺母(36)连接，螺母(36)与螺杆(35)螺 纹连接，螺杆(35)与联轴器(28)连接，联轴器(28)的另一端与电机(29) 的输出端连接，电机(29)固装在第三绝缘支架(26)上。
6、 一种利用权利要求1所述装置进行的电感耦合等离子体管筒内表面离子 注入改性方法，其特征在于所述方法通过以下步骤实现.. 一、利用泵组系统(7)将真空室(4)内的气压抽至本底真空度5 10'spa; 二、向真空室(4)内 充入气体，使真空室(4)内的气压达到0.1 15Pa;三、开启射频电源(5)，设 置在管筒(2)内的螺线管(1)放电，在螺线管(1)内外产生轴向均匀的电感 耦合等离子体，等离子体将充满管筒(2)的内部空间，并且沿管筒(2)轴向 均匀分布；四、开启脉冲负高压电源(6)， -300V~-30000V的脉冲负高压通过 高压电缆(20)施加到管筒(2)上，在管筒(2)内表面和螺线管(1)之间形 成径向电场，径向电场使得管筒(2)内表面和螺线管(1)之间的离子被加速 向管筒(2)内壁飞去，即对管筒(2)的内壁进行离子注入，注入0.5 5小时; 五、关闭脉冲负高压电源(6)和射频电源(5)，关闭泵组系统(7)，真空室(4) 内停止真空，即完成电感耦合等离子体管筒内表面离子注入。
7、 根据权利要求6所述的电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性方法， 其特征在于步骤二中的气体为氧气、氮气、乙炔气或氩气，还可以是前述气 体中任意两种或两种以上气体的混合。
全文摘要
电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置及方法，它涉及一种表面处理装置和处理方法。本发明为解决现有管筒内表面离子注入处理时因采用电容耦合等离子体使得放电间距大而难以对细管内表面进行处理的问题。装置螺线管设置在管筒内，且一端与匹配箱连接、另一端与地极连接。方法一、将真空室内抽真空；二、向真空室内充入气体；三、螺线管内外产生轴向均匀的电感耦合等离子体；四、脉冲负高压施加到管筒上使管筒内形成径向电场；五、关闭脉冲负高压电源和射频电源，完成电感耦合等离子体管筒内表面离子注入。本发明具有等离子体源放电均匀的优点，螺线管起到地电极钳制电位的作用，本发明可以对直径更细小的管筒内表面进行离子注入处理。
文档编号C23C14/48GK101525738SQ200910071869
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者杨士勤, 汪志健, 田修波 申请人:哈尔滨工业大学