专利名称：空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种管筒内表面注入离子的装置及方法，特别是一种空心阴极 耦合正偏压管筒内表面注入离子的装置及方法。
背景技术：
由于离子注入时离子行走的直线性对于管筒内壁的注入具有很大的限制， 处理的管筒长细比不能很大，否则离子注入时离子会很倾斜地入射，达不到离 子注入的效果。如果离子注入机在管筒内部可以直接垂直注入内壁，这要求管 筒很大，实际上不现实。因此需要在内部产生等离子体，然后在筒上施加负偏 压，吸引离子最后形成离子注入效应。在管筒内部产生等离子体也不是一件很 容易的事，尤其对于较细的管筒。有人利用二极放电，在管筒内部插入中心电 极，利用中心电极和管筒之间进行放电来产生等离子体，但由于二极放电对于 较细的管筒放电空间较小，放电就变得困难。有人提出了内部射频等离子体源 的方法，即在管筒内部中心加入一个射频天线，射频天线外套网状金属地电极。 输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网状 地电极间产生，金属管上施加负偏压，在负高压吸引下，离子获得加速使管筒 内壁实现离子注入。这在一定程度上解决了内部等离子体产生问题，但由于在 管筒内加入了中心射频电极和网状地电极，使得管筒的直径也不能较小。
发明内容
本发明的目的是提供一种空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的装 置及方法，以解决在较细的管筒内产生等离子体困难的问题。
本发明的技术方案是
本发明所述的空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的装置由气体源 室、真空室、绝缘通气管、射频电源系统、匹配保护电路、电缆、高压电缆、 低通滤波器、高压脉冲电源、绝缘体、空心阴极管、抽气系统、支架、齿轮、 齿条、传动杆、底座、滚动轴承和动密封圈组成；真空室接地，被处理的工件
管筒设置在真空室内的中心处，空心阴极管的一端设置在工件管筒内的中心轴
线上，空心阴极管的另一端穿过真空室与绝缘通气管的一端相连接，绝缘通气 管的另一端与气体源室的输出端相连接，绝缘体套装在空心阴极管上并固装在 真空室的输入端面的中心孔内，高压脉冲电源的正极通过低通滤波器和高压电 缆与空心阴极管的外壁固接，高压脉冲电源的负极接在真空室的壁上，工件管 筒的侧壁接地，射频电源系统的输出端通过匹配保护电路和电缆与空心阴极管 的外壁固接，抽气系统设在真空室的输出端处，齿轮固装在支架上，齿条与齿 轮相啮合，传动杆的一端与齿条固接，传动杆的另一端穿过真空室的输出端与 底座固接，管筒安装在底座上，在底座与真空室的内壁之间设有滚动轴承，在 传动杆与真空室的输出端之间设有动密封圈。
本发明的空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的方法由以下步骤完 成 一、将气体源室中产生的离子气体通入到绝缘通气管内；二、射频电源系 统的射频脉冲经过匹配保护电路由射频电缆耦合到空心阴极管上，高压脉冲电 源的高压正脉冲经过低通滤波器由高压电缆加在空心阴极管上，射频脉冲与高 压正脉冲在空心阴极管上耦合，在射频脉冲与高压正脉冲间隔输出的作用下， 气体在空心阴极管内产生等离子体，工件管筒内的等离子体受到电场的作用， 飞向工件管筒的内壁，形成离子注入。
本发明具有以下有益效果通过在管筒内放入空心阴极管，利用射频电源 系统的射频正负脉冲与高压脉冲电源的高压正脉冲的耦合使气体产生等离子 体并形成离子注入，减小了被处理管筒工件的直径；并由于在空心阴极管口附 近的气压较高，同时由于空心阴极效应的电子振荡，等离子体较为容易建立； 利用正电极排斥离子获得离子注入，非常适合于管筒内壁处理，正电极排斥出 的离子利用率高，基本全部被管筒内表面接收、注入。
图l是空心阴极耦合正偏压的管筒内表面离子注入装置的整体结构示意 图，图2是匹配保护电路4与空心阴极管9、射频电源系统3和真空室11连接的结 构示意图，图3是具体实施方式
六中射频脉冲和高压正脉冲时序图，图4是具体 实施方式七中射频脉冲和高压正脉冲时序图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图l说明本实施方式，本实施方式的空心阴极耦合
正偏压管筒内表面注入离子的装置由气体源室l、真空室ll、绝缘通气管2、射 频电源系统3、匹配保护电路4、电缆5、高压电缆12、低通滤波器6、高压脉冲 电源7、绝缘体8、空心阴极管9组成；真空室ll接地，被处理的工件管筒10设 置在真空室ll内的中心处，空心阴极管9的一端设置在工件管筒10内的中心轴 线上，空心阴极管9的另一端穿过真空室11与绝缘通气管2的一端相连接，绝缘 通气管2的另一端与气体源室1的输出端相连接，绝缘体8套装在空心阴极管9 上并固装在真空室ll的输入端面的中心孔内，高压脉冲电源7的正极通过低通 滤波器6和高压电缆12与空心阴极管9的外壁固接，高压脉冲电源7的负极接在 真空室ll的壁上，工件管筒10的侧壁接地，射频电源系统3的输出端通过匹配 保护电路4和电缆5与空心阴极管9的外壁固接，抽气系统13设在真空室11的输 出端处，齿轮15固装在支架14上，齿条16与齿轮15相啮合，传动杆17的一端与 齿条16固接，传动杆17的另一端穿过真空室11的输出端与底座18固接，管筒IO 安装在底座18上，在底座18与真空室11的内壁之间设有滚动轴承19，在传动杆 17与真空室11的输出端之间设有动密封圈20。
具体实施方式
二结合图l说明本实施方式，本实施方式中的空心阴极管9 的内径为0.5-20mm。当空心阴极管9采用Cr、 Ti或Zr等阴极材料时，可以在工 件管筒10的内表面获得纯金属的涂层。
具体实施方式
三结合图l说明本实施方式，本实施方式中的高压电缆12 与空心阴极管9相连接的连接点位于绝缘通气管2和绝缘体8之间。
具体实施方式
四本实施方式中的高压脉冲电源7输出的正脉冲的电压幅值 为1-50kV，输出的脉冲频率为1-500Hz。
具体实施方式
五本实施方式中的射频电源系统3的功率为20W-5000W。
具体实施方式
六结合图2说明本实施方式，本实施方式中的匹配保护电路 4由第一电容d、第二电容G、电感L和电阻R组成；第一电容d的一端由电缆5 连接到空心阴极管9的外壁上，第一电容d的另一端与电感Lt的一端相连接，第 二电容C2与电阻R并联后一端与真空室1 l相连接，第二电容G与电阻R并联后的 另一端与电感L的另一端一起与射频电源系统3的输出端相连接。其它组成及 连接关系与具体实施方式
一相同。
通过d、 U和C2以及低通滤波器6的匹配使得高压脉冲与射频脉冲互不影响，
这里关键是在通过d和C2串联分压使得C2上获得较小的分压，从而避免高压对
射频的影响；低通滤波器6利用感抗^=2^和射频频率/ = 13'56^& (其中L 为电感)，使得该滤波器通低频阻高频，在实际工作中高压注入脉冲一般仅有 几百赫芝，远远低于射频频率，因而通过该低通滤波器6可以有效避免射频对 高压的影响。
具体实施方式
七结合图4说明本实施方式，本实施方式的空心阴极耦合 正偏压管筒内表面注入离子的方法由以下步骤完成 一、将气体源室l中产生 的离子气体通入到绝缘通气管2内；二、射频电源系统3的射频脉冲经过匹配保 护电路4由射频电缆5耦合到空心阴极管9上，高压脉冲电源7的高压正脉冲经过 低通滤波器6由高压电缆12加在空心阴极管9上，射频脉冲与高压正脉冲在空心 阴极管9上耦合，在射频脉冲与高压正脉冲间隔输出的作用下，气体在空心阴极 管9内产生等离子体，工件管筒10内的等离子体受到电场的作用，飞向工件管筒 IO的内壁，形成离子注入。
具体实施方式
八本实施方式在步骤一中，气体源室l提供氧气、氮气、 氩气、甲烷或乙炔等多种气体形成离子注入;气体源室1提供甲垸或乙炔气体， 可以对工件管筒10的内表面进行类金刚石薄膜沉积；气体源室1提供氮气或 乙炔气体，能对工件管筒10进行TiN、 CrN、 ZrN、 TiC或TiCN等薄膜的沉积。 其它方法和步骤与具体实施方式
七相同。
具体实施方式
九本实施方式在步骤二中，工件管筒10在空心阴极管9上 作左右相对移动，使得工件管筒10表面获得更均匀的离子注入。其它方法和步 骤与具体实施方式
七相同。
具体实施方式
十本实施方式在步骤二中，在射频电源系统3发射的相邻 两个射频脉冲间有高压脉冲电源7发射的两个以上高压正脉冲。其它方法和步 骤与具体实施方式
七相同。
权利要求
1、一种空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的装置，它由气体源室(1)、真空室(11)、绝缘通气管(2)、射频电源系统(3)、匹配保护电路(4)、电缆(5)、高压电缆(12)、低通滤波器(6)、高压脉冲电源(7)、绝缘体(8)、空心阴极管(9)组成；其特征在于真空室(11)接地，被处理的工件管筒(10)设置在真空室(11)内的中心处，空心阴极管(9)的一端设置在工件管筒(10)内的中心轴线上，空心阴极管(9)的另一端穿过真空室(11)与绝缘通气管(2)的一端相连接，绝缘通气管(2)的另一端与气体源室(1)的输出端相连接，绝缘体(8)套装在空心阴极管(9)上并固装在真空室(11)的输入端面的中心孔内，高压脉冲电源(7)的正极通过低通滤波器(6)和高压电缆(12)与空心阴极管(9)的外壁固接，高压脉冲电源(7)的负极接在真空室(11)的壁上，工件管简(10)的侧壁接地，射频电源系统(3)的输出端通过匹配保护电路(4)和电缆(5)与空心阴极管(9)的外壁固接，抽气系统(13)设在真空室(11)的输出端处，齿轮(15)固装在支架(14)上，齿条(16)与齿轮(15)相啮合，传动杆(17)的一端与齿条(16)固接，传动杆(17)的另一端穿过真空室(11)的输出端与底座(18)固接，管筒(10)安装在底座(18)上，在底座(18)与真空室(11)的内壁之间设有滚动轴承(19)，在传动杆(17)与真空室(11)的输出端之间设有动密封圈(20)。
2、 根据权利要求l所述的空心阴极耦合正偏压的管筒内表面离子注入装 置，其特征在于空心阴极管(9)的内径为0.5-20mm。
3、 根据权利要求l所述的空心阴极耦合正偏压的管筒内表面离子注入装 置，其特征在于高压电缆(12)与空心阴极管(9)相连接的连接点位于绝缘 通气管(2)和绝缘体(8)之间。
4、 根据权利要求l所述的空心阴极耦合正偏压的管筒内表面离子注入装 置，其特征在于高压脉冲电源(7)输出的正脉冲的电压幅值为1-50kV，输出 的脉冲频率为1-500Hz。
5、根据权利要求l所述的空心阴极耦合正偏压的管筒内表面离子注入装 置，其特征在于匹配保护电路(4)由第一电容d、第二电容C2、电感L和电阻 R组成；第一电容d的一端由电缆(5)连接到空心阴极管(9)的外壁上，第 一电容d的另一端与电感L的一端相连接，第二电容C2与电阻R并联后一端与真 空室(11)相连接，第二电容C2与电阻R并联后的另一端与电感L,的另一端一起 与射频电源系统(3)的输出端相连接。
6、 一种空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的方法，其特征在于它 由以下步骤完成 一、将气体源室(1)中产生的离子气体通入到绝缘通气管(2)内；二、射频电源系统(3)的射频脉冲经过匹配保护电路(4)由射频 电缆(5)耦合到空心阴极管(9)上，高压脉冲电源(7)的高压正脉冲经过 低通滤波器(6)由高压电缆(12)加在空心阴极管(9)上，射频脉冲与高压 正脉冲在空心阴极管(9)上耦合，在射频脉冲与高压正脉冲间隔输出的作用下， 气体在空心阴极管(9)内产生等离子体,工件管筒(10)内的等离子体受到电 场的作用，飞向工件管筒(10)的内壁，形成离子注入。
7、 根据权利要求6所述的空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的方 法，其特征在于步骤二中，工件管筒(10)在空心阴极管(9)上作左右相对 移动。
8、 根据权利要求6所述的空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的方 法，其特征在于在射频电源系统(3)发射的相邻两个射频脉冲间有高压脉冲 电源(7)发射的两个以上高压正脉冲。
9、 根据权利要求6所述的空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的方 法，其特征在于气体源室(1)提供甲烷或乙炔能对工件管筒(10)的内表面 进行类金刚石薄膜沉积。
10、 根据权利要求6所述的空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的方 法，其特征在于气体源室(1)提供氮气或乙炔能对工件管筒(10)进行TiN、 CrN、 ZrN、 TiC或TiCN薄膜的沉积。
全文摘要
空心阴极耦合正偏压管筒内表面注入离子的装置及方法，它涉及一种管筒内表面注入离子的方法及装置。本发明解决了在较细的管筒内产生等离子体困难的问题。装置是空心阴极管(9)的一端设置在工件管筒(10)内，高压脉冲电源(7)的正极通过低通滤波器(6)连到空心阴极管(9)上，射频电源系统(3)通过匹配保护电路(4)连到空心阴极管(9)上；方法是气体在射频脉冲的作用下在空心阴极管内产生等离子体，等离子体受到电场的作用，飞向工件管筒(10)内壁形成离子注入。本发明通过在工件管筒内放入空心阴极管，减小了被处理工件管筒的直径，并能容易建立等离子体，通过使空心阴极管处于脉冲正偏压，提高了工件管筒内表面离子注入效率。
文档编号H05H1/46GK101365289SQ20081013723
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者巩春志, 杨士勤, 田修波 申请人:哈尔滨工业大学