[实用新型]脉冲高能量密度等离子体辅助多源复合材料表面改性装置

说明书

所属技术领域

本实用新型涉及低温等离子体技术的应用领域，特别涉及一种基于高能量密度等离子体的多元等离子体全方位离子注入与沉积的表面处理装置。适用于包括陶瓷材料在内的各种金属、非金属、有机、无机材料的表面处理。

背景技术

低温等离子体技术被广泛地运用于半导体、微电子、光学、医学、材料表面处理等工业领域，尤其在薄膜材料制备和材料表面改性方面使用非常广泛。1988年，美国威斯康星大学的J.R.Conrad教授提出等离子体源离子注入(PSII)技术，该技术也称为等离子体浸没离子注入(PIII)。随后基于此技术的材料表面改性方法与装置得到迅猛发展。现有的多元等离子体全方位离子注入与沉积装置(CN 95118169.6，CN 92111475.3)只能对金属材料实现等离子体浸没离子注入，而对于非金属材料只能进行沉积处理(CN 95221951.4)，特别是对于陶瓷材料还难以进行注入处理。而对于陶瓷材料来讲，在其表面直接沉积金属或其他材料，膜与基底的结合难以保证。即便是对于金属材料来讲，离子注入与沉积也难以在膜与基底之间形成合金相，大多数情况下还需要后续处理。

高能量密度的等离子体能够熔融金属，可以在薄膜与基底之间形成牢固的合金层。例如，本申请人自主研制的，《物理》2002年第8期第510页“脉冲高能量密度等离子体薄膜制备和材料表面改性”一文中所述的脉冲高能量密度等离子体技术，已经成功制备TiN、Si₃N₄、BN以及类金刚石薄膜，在氧化铝陶瓷表面生长Cu实现陶瓷表面金属化，在硬质合金刀具表面生长TiCN、TiAlN等高硬高耐磨薄膜均取得很好效果。但是该脉冲高能量密度等离子体处理后样品的表面粗糙度较大，且对于较大面积样品，束斑交界处容易出现不连续界面，使得表面处理效果不均匀。

在对材料性能要求愈来愈高的今天，单一的金属离子源装置或单一的气体离子源装置已不能满足实际需要。另外，对于多元等离子体经常采用的真空弧等离子体源，由于真空弧沉积速率高，在薄膜沉积的过程中，薄膜与基底的结合一直不能很好的解决。

发明内容

本实用新型的目的是为弥补上述现有技术存在的不足提供一种能够实现对任何基底材料进行快速注入、沉积改性并能实现高膜基结合强度的复合等离子体材料处理装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：为实现上述目的，建造一台基于高能量密度等离子体枪的多元复合等离子体源离子注入与沉积设备。本实用新型脉冲高能量密度等离子体辅助多源复合材料表面改性装置包括：真空室1直径850mm高1200mm、高能量密度等离子体枪2即A、A’、大功率高速真空弧金属等离子体源3即B、B’、热丝气体等离子体源4即C和旋转行星样品台5即D。脉冲高能量密度等离子体枪设置在所述真空室1的A和A’位置处(见图2)；大功率高速真空弧金属等离子体源设置在所述真空室1的B和B’位置处(见图3)；热丝气体等离子体源安装于所述真空室1的C位置处(见图4)；可调转速的旋转样品台安装于所述真空室1的底部，D位置处(见图5)。

进一步地，所述脉冲高能量密度等离子体枪(见图2)包括：同轴电极枪、磁力线圈，直流电源及控制系统。所述高能量密度等离子体源可以是1台或者多台，所述的A和A’位置各安装一台。A、A’与真空室1的中轴线在同一平面，且A、A’垂直于轴线对称分布。所述的高能量密度等离子体枪的控制电源能够实现脉冲或者准连续放电。。

进一步地，所述大功率高速真空弧金属等离子体源(见图3)包括：阴极、触发电极、磁场线圈以及相应的电源和控制系统。所述大功率高速真空弧金属等离子体源可以是1台或者多台，所述的B和B’位置各安装了一台。B的中轴线、B’的中轴线均和真空室1的中轴线成一定角度，且B和B’关于真空室1的中轴线对称分布；所述阴极处于B的中轴线上；所述触发电极与所述阴极平行；所述磁场线圈设置在的周围，与所述阴极同轴心。

进一步地，所述热丝气体等离子体源(见图4)包括：钨丝、接线柱、磁场线圈以及支架；钨丝通过接线柱设置在所述圆形支架C4内，磁场线圈设置在该圆形支架C4周围。

进一步地，所述大功率高速真空弧金属等离子体源的阴极材料为钛、钽、铜、金、石墨或其他任何导电材料、合金材料。

进一步地，所述旋转样品台包括基片架和样品台，该基片架通过行星齿轮组圆周均布于样品台上，步进电机、交流调速电机通过传动轴分别安装在样品台绝缘轴套上，由外电路给样品台和基片架提供可控直流或脉冲负偏压。

进一步地，所述脉冲高能量密度等离子体枪、大功率真空阴极弧等离子体源和热灯丝离子源的种类和位置可以任意组合。