一种离子源以及镀膜装置的制作方法

本实用新型涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种离子源以及镀膜装置。

背景技术：

在化工生产中，经常会用到各种各样的管道，以实现化学物料的输送，例如工业中常用的石油化工管道、真空管道和气体管道等，这些管道在经过长期的磨损、腐蚀、氧化等损害后，不可避免地会带来安全隐患，因此，需要对这些管道结构的内壁进行表面处理，以提高管道的抗磨损、抗腐蚀和抗氧化性能。

现有技术中，通常采用电镀或化学镀的方法向管道内壁镀膜的方法以在管道内壁形成保护层，对提高管道的抗磨损、抗腐蚀和抗氧化性能。但是，化学镀和电镀对环境危害较大，且所形成的膜层的致密性及其与管道的结合性均较差，不利于管道的使用寿命的延长，并且这种并不适合非导体材料的镀膜。

等离子溅射镀膜是一种采用正离子束轰击靶材，使得靶材的分子、原子或离子发生迁移，使得这些迁移的离子沉积在待镀膜工件的表面的技术。等离子溅射镀膜适用于导体材料和非导体材料的镀膜，且所形成的膜层的致密性及其与管道的结合性均较好，然而，现有的等离子溅射通常用于平面工件的镀膜，在对大深径比的管道进行镀膜时，由管口处向管件内部传输过程中等离子体密度逐渐降低，使得管件内部的膜层厚度明显呈管口处厚、向内逐渐减薄的趋势，甚至在管道更深处不能成膜，管道内壁镀膜的均匀性较差的情况发生。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于，提供一种离子源以及镀膜装置，通过对离子源的结构进行改进，能够提高管道内壁的等离子体溅射镀膜的成膜均匀性。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一方面，本实用新型实施例提供一种离子源，包括：发射电极；发射电极为柱状；阴极靶材，阴极靶材为中空柱状结构，且中空柱状结构套设于发射电极的柱状侧面上，阴极靶材背向发射电极的表面为溅射面；分别覆盖于发射电极的柱状上下两个底面上的接地电极层，每一个接地电极层与发射电极和阴极靶材绝缘连接。

可选的，每一个接地电极层均为一端开口的筒状结构，发射电极和阴极靶材被夹设在两个筒状结构之间，且筒状结构的侧面分别覆盖于中空柱状结构沿轴向两端的侧面上。

可选的，发射电极的外周面上间隔插设有磁体，相邻两个磁体朝向外侧的磁极磁性相反。

可选的，发射电极沿轴向的至少一个端面上还设有与阴极靶材的周向连通的放射状气体流道，接地电极层上穿设有与放射状气体流道连通的进气管。

可选的，发射电极沿轴向的一个端面上还连接有电源馈入端子，电源馈入端子穿过接地电极层与电源连接，电源馈入端子与接地电极层之间相互绝缘。

可选的，发射电极内部还设置有冷却介质流道，接地电极层上还穿设有与冷却介质流道连通的冷却介质输入管和冷却介质输出管。

可选的，筒状结构的侧面上沿周向还连接有可沿中空柱状结构的轴向方向滑动或滚动的支撑件。

另一方面，本实用新型实施例提供一种镀膜装置，包括：如上所述的离子源；还包括：与离子源连接的传送装置，传送装置用于带动离子源沿自身轴线的延伸方向移动。

可选的，该镀膜装置还包括：旋转驱动装置，旋转驱动装置用于驱动离子源沿自身轴线旋转。

本实用新型实施例提供一种离子源以及镀膜装置，通过将发射电极做成柱状，阴极靶材做成中空柱状结构，并将中空柱状结构套设于发射电极的柱状侧面上，该阴极靶材背向发射电极的表面为溅射面，同时，在该发射电极的柱状的上下两个底面上覆盖接地电极层，并使得每一个接地电极层与发射电极和阴极靶材绝缘连接，就构成了一个柱状的离子源，在需要对管状工件的内壁进行镀膜时，可以将待镀膜管状工件放置于真空环境中，并在真空环境中通入工作气，将离子源伸入该待镀膜管状工件的内部，并使溅射面与待镀膜管状工件的内壁相对，通过分别对发射电极和接地电极层进行通电，能够在阴极靶材和待镀膜管状工件间产生自由电子，并使工作气(如氩气)电离产生氩离子及二次电子。氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶材，并与组成阴极靶材的原子或分子发生碰撞，使其溅射并沉积在待镀膜管状工件的内壁上。二次电子在电场E的作用下，在飞向待镀膜管状工件的过程中与氩原子再次发生碰撞，使其电离继续产生出氩离子和新的二次电子；通过对离子源的结构进行改进，能够实现对管道内壁的等离子体溅射镀膜，并通过使离子源在待镀膜管状工件中移动，能够提高管道内壁的等离子体溅射镀膜的成膜均匀性。解决了现有技术中通过等离子体溅射镀膜使得管件内部的膜层厚度明显呈管口处厚、向内逐渐减薄的趋势，甚至在管道更深处不能成膜，管道内壁镀膜的均匀性较差的情况的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种离子源的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种离子源的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种发射电极的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种阴极靶材的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种镀膜装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种镀膜装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。例如，溅射型负离子源即是通过气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程产生离子，并被引出成束。

溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。

一方面，本实用新型实施例提供一种离子源，参见图1、图2、图3和图4，包括：发射电极1；发射电极1为柱状；阴极靶材2，阴极靶材2为中空柱状结构，且中空柱状结构套设于发射电极1的柱状侧面上，阴极靶材2背向发射电极1的表面为溅射面；分别覆盖于发射电极1的柱状上下两个底面上的接地电极层3，每一个接地电极层3与发射电极1和阴极靶材2绝缘连接。

本实用新型实施例提供一种离子源，通过将发射电极1做成柱状，阴极靶材1做成中空柱状结构，并将中空柱状结构套设于发射电极1的柱状侧面上，该阴极靶材2背向发射电极1的表面为溅射面，同时，在该发射电极1的柱状的上下两个底面上覆盖接地电极层3，并使得每一个接地电极层3与发射电极1和阴极靶材2绝缘连接，就构成了一个柱状的离子源，在需要对管状工件的内壁进行镀膜时，可以将待镀膜管状工件放置于真空环境中，并在真空环境中通入工作气，将离子源伸入该该待镀膜管状工件的内部，并使溅射面与待镀膜管状工件的内壁相对，通过分别对发射电极1和接地电极层3进行通电，其中，发射电极1可以接电源，接地电极层3可以接地，能够在阴极靶材2和待镀膜管状工件间产生自由电子，并使工作气(如氩气)被电离产生氩离子与二次电子，氩离子在电场作用下飞向阴极靶材2，并与组成阴极靶材2的原子或分子发生碰撞，使其溅射并沉积在待镀膜管状工件的内壁上。二次电子在电场E的作用下，在飞向待镀膜管状工件的过程中与氩原子再次发生碰撞，使其电离继续产生出氩离子和新的二次电子；通过对离子源的结构进行改进，能够实现对管道内壁的等离子体溅射镀膜，并通过使离子源在待镀膜管状工件中移动，能够提高管道内壁的等离子体溅射镀膜的成膜均匀性。解决了现有技术中通过等离子体溅射镀膜使得管件内部的膜层厚度明显呈管口处厚、向内逐渐减薄的趋势，甚至在管道更深处不能成膜、管道内壁镀膜的均匀性较差的情况的缺陷。

其中，对该接地电极层3与发射电极1和阴极靶材2之间绝缘连接的具体方式不做限定，可以在接地电极层3与发射电极1和阴极靶材2之间填充绝缘陶瓷实现绝缘连接，也可以在接地电极层3与发射电极1和阴极靶材2之间设置绝缘连接件(如可以为绝缘螺钉)以实现绝缘连接，还可以在接地电极层3与发射电极1和阴极靶材2上设置相互配合的凹槽和凸起，并在凹槽或凸起上包覆绝缘层以实现绝缘连接。

本实用新型的一实施例中，如图1、图2、图3和图4所示，每一个接地电极层3均为一端开口的筒状结构，发射电极1和阴极靶材2被夹设在两个筒状结构之间，且筒状结构的侧面分别覆盖于中空柱状结构沿轴向两端的侧面上。该发射电极1和阴极靶材2夹设在两个筒状结构之间，形成三明治夹心结构。

优选的，参见图3，该发射电极1的外周面上间隔插设有磁体4，相邻两个磁体4朝向外侧的磁极磁性相反。

其中，由于该发射电极1为柱状，且该磁体4插设于该发射电极的外周面上，因此，朝向该发射电极1的柱状外侧的一端可以为北极，也可以为南极，在本实用新型实施例中，相邻两个磁体4朝向外侧的磁极磁性相反，这样一来，相邻两个磁体4之间形成闭合的磁场，产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E(电场)×B(磁场)所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。电子以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶材表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的氩离子来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。

本实用新型的一实施例中，如图1和图2所示，该发射电极1沿轴向的至少一个端面上还设有与阴极靶材2的周向连通的放射状气体流道5，该接地电极层3上穿设有与该放射状气体流道5连通的进气管6。

在本实用新型实施例中，通过在该接地电极层3上穿设进气管6，能够将真空环境中的工作气如氩气导入该发射电极1和接地电极层3之间，并通过放射状气体流道5流向阴极靶材2，为阴极靶材2的外周面均匀布气，从而能够实现均匀溅射。

其中，该放射状气体流道5可以仅设置在该发射电极1的一个端面上，也可以设置在该发射电极1相对的两个端面上，在此不做限定。

本实用新型的又一实施例中，如图1、图2和图3所示，该发射电极1沿轴向的一个端面上还连接有电源馈入端子7，该电源馈入端子7穿过该接地电极层3与电源连接，该电源馈入端子7与接地电极层3之间相互绝缘。

在本实用新型实施例中，通过引出电源馈入端子7，以实现发射电极1和电源之间连接，能够为发射电极1施加电压。

本实用新型的再一实施例中，如图1、图2和图3所示，该发射电极1内部还设置有冷却介质流道，接地电极层3上还穿设有与冷却介质流道连通的冷却介质输入管8和冷却介质输出管9。

通过对发射电极1进行冷却，能够避免发射电极1在高压下过热而发生熔融或分解，延长发射电极1的使用寿命。

本实用新型的又一实施例中，该筒状结构的侧面上沿周向还连接有可沿该中空柱状结构的轴向方向滑动或滚动的支撑件10。

在本实用新型实施例中，通过在筒状结构的侧面沿周向连接可沿该中空柱状结构的轴向方向滑动或滚动的支撑件10，当将该离子源伸入待镀膜管状工件中时，可以将支撑件10与该待镀膜管状工件的管壁相贴合，沿该待镀膜管状工件的管壁滑动或滚动，能够防止该离子源偏离待镀膜管状工件的轴线方向而使得镀膜不均匀的情况发生。

其中，该支撑件10可以为滑块，也可以为滑轮。

另一方面，本实用新型实施例提供一种镀膜装置，参见图5与图6，包括：如上所述的离子源01；以及与离子源01连接的传送装置02，传送装置02用于带动离子源01沿自身轴线的延伸方向移动。

本实用新型实施例提供一种镀膜装置，通过在该离子源01上连接传送装置02，通过传送装置02带动离子源01沿自身轴线的延伸方向移动，能够在将原子源01伸入待镀膜管状工件内时，实现边移动边镀膜。

其中，该传送装置02可以为与该离子源01绝缘连接的长杆或线缆，长杆或线缆上可以连接有直线驱动装置03，通过直线驱动装置03驱动长杆或线缆沿待镀膜管状工件的轴向移动，能够实现边移动边镀膜。

其中，直线驱动装置03可以为绞盘、吊车、直线驱动电机等。

本实用新型的又一实施例中，该镀膜装置还包括：旋转驱动装置04，该旋转驱动装置04用于驱动该离子源01沿自身轴线旋转。能够在离子源01不偏离待镀膜管状工件的轴线方向的情况下，使得离子源01对待镀膜管状工件的管壁一周的镀膜较为均匀，避免出现离子源01沿周向的不同区域镀膜不均匀的情况发生。

其中，该旋转驱动装置04可以为与离子源01连接的转盘，也可以为驱动该离子源01沿自身轴线旋转的传送带与传送轮，还可以为驱动该离子源01沿自身轴线旋转的步进电机。

示例性的，当该传送装置02为长杆时，该旋转驱动装置04可以为与长杆连接的传送带和传送轮。

本实用新型的一实施例中，该镀膜装置还可以包括电源模块05，通过电源模块05能够为离子源施加电压。

该镀膜装置还可以包括用于容纳该待镀膜管状工件的容器06，以及用于对该容器06进行抽真空的机械泵或分子泵。能够为溅射镀膜提供真空环境。

本实用新型的又一实施例中，该镀膜装置还可以包括供气模块07，用于向该容器06内充入工作气。

其中，该供气模块07与该容器06之间的连通管道上还可以连接有流量计，用于对工作气的流量进行实时测量。

本实用新型的再一实施例中，该镀膜装置还可以包括冷却模块08，该冷却模块08用于为发射电极1提供冷却介质，对发射电极1进行冷却。

其中，该冷却模块08可以包括与冷却介质流道循环连通的去离子水产生装置，该去离子水产生装置与冷却介质流道之间的连通管路上可以连接流量监测装置，该去离子水产生装置上可以连接温度检测装置和电阻率检测装置。能够及时检测去离子水的温度和电阻率，防止去离子水冷却温度不够以及电阻率较小而对离子源产生短路等不利后果。

进一步地，该镀膜装置还可以包括控制器，通过控制器控制各个装置或模块中的各组成部件执行相应的操作，以实现自动化镀膜。

控制器可以包括一个或多个微处理器、存储器、用户接口、网络接口以及通信总线。

通信总线用于控制镀膜装置中各组成部件之间的通信。用户接口用于插接外部设备，例如触摸屏、鼠标及键盘等，以接收用户输入的信息。网络接口用于控制器与外部进行互相通信，该网络接口主要包括有线接口和无线接口。

存储器可用于存储软件程序以及模块，数据库，如在直线驱动装置的驱动下，传送装置带动离子源沿待镀膜管状工件的轴向方向移动所对应的程序指令/模块或供气模块向容器中充入工作气的流量变化的程序指令/模块。存储器可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器可进一步包括相对于微处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至控制设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

控制器通过运行存储在存储器内的软件程序指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如，处理器通过调用存储器中的传送装置对离子源进行传送的应用程序，以实现快速而准确的实现传送过程，通过调用存储器中的冷却水循环制冷对应的程序指令/模块，以实现去离子水对发射电极进行冷却的过程。

综上所述，上述控制器在控制过程中，能够对各个操作步骤中的实现自动化控制，仅将设定好的操作程序输入给控制器，在实际应用中通过控制器中的处理器调用存储于控制器中的应用程序，就可以完成整个操作过程。

其中，该控制器可以为计算机。

以下，将通过实施例对本实用新型所带来的技术效果进行详细描述。

实施例1

如图5所示，将内径为80mm的石英管置于真空腔内，真空压力1x10^-5pa，通入20slm的氩气，使真空压力稳定在1x10^-2pa，将外径为70mm的离子源01沿轴向对准石英管，向离子源01输入200w功率的RF射频，离子源01在传送装置02的带动下从石英管一段进入，沿轴线方向向另一端匀速运动，运动过程中安装在发射电极1外侧的阴极靶材2(铜)会均匀溅射到石英管的内壁上。通过实用新型实施例提供的实例，可以在石英管内壁沉积一层厚度为10～100纳米均匀的铜膜，同时薄膜具有一定的电导率、透过率及反射率。进一步提高薄膜的均匀性，在传送装置02上安装旋转驱动装置04，在镀膜过程中驱动离子源01沿自身轴线旋转，离子源01的旋转速度和移动速度均可替调节，以达到提高镀膜均匀性的目的。

实施例2

如图6所示，内径为三英寸的石英管水平放置于真空腔内，将外径为2.5英寸的离子源01沿水平方向对准石英管内部，真空压力1x10^-5pa，通入20slm的氩气，使真空压力稳定在1x10^-2pa。石英管支撑设置在一对轴向与石英管的轴向平行设置的滚轮上，滚轮同向旋转，带动石英管沿自身轴线旋转。向离子源01输入400W直流电，离子源01开始辉光并产生等离子体。同时离子源01的直线驱动装置03开始由石英管一端驱动离子源01进入石英管内部并向石英管另一端移动。镀膜开始，整个镀膜过程中石英管的自转与离子源01的移动速度均保持匀速，以便确保镀膜的均匀性。根据不同厚度的需要，石英管自转速度与离子源01移动速度均可调整。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。