一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ecr-pecvd裝置制造方法
【專利摘要】一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，該裝置包括微波源、通電線圈、進(jìn)氣管、手持式紅外測溫儀、可視窗口、加熱爐、抽真空管道、水冷管、樣品、絕緣陶瓷片。設(shè)備的腔體上端附有通電線圈，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側(cè)設(shè)有進(jìn)氣管，底端設(shè)有抽氣管道，另一側(cè)設(shè)有可視窗口。ECR-PECVD設(shè)備在化學(xué)氣上沉積方面有很大的應(yīng)用，但經(jīng)過改造后在面向等離子體材料的研究方面也能起到至關(guān)重要的作用。其中在樣品上加負(fù)偏壓在150V左右是束達(dá)到2x1020He·m-2·s-1，并能夠在此參數(shù)下穩(wěn)定長時(shí)間的工作；此設(shè)備在溫度可控的條件下能夠進(jìn)行各種參數(shù)的調(diào)節(jié)，能夠穩(wěn)定的進(jìn)行工作解決了低能高束流設(shè)備短缺的問題。
【專利說明】—種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著氣候日益惡化和能源需求的不斷擴(kuò)大，可再生能源技術(shù)的開發(fā)利用將成為解決這一問題的關(guān)鍵。在各種可再生能源(核能、太陽能、水能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等)中，核聚變能是潛在的清潔安全能源，同時(shí)面對我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、能源消耗的迅速攀升，人均資源卻又明顯低于全球平均水平的嚴(yán)峻情況，發(fā)展核聚變能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略價(jià)值。
[0003]磁約束托卡馬克是目前最有可能實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兊姆椒?。在反?yīng)堆正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分未受約束的He+、D+以及等離子體鞘層邊界等離子體會直接與壁材料接觸，壁材料表面將會產(chǎn)生刻蝕和雜質(zhì)顆粒沉積，以及壁材料內(nèi)部氘氦滯留和起泡問題。在研究壁材料研究過程中，為了模擬熱核聚變磁約束托卡馬克裝置中的聚變條件，穩(wěn)定且定量的等離子體束流是必不可少的，但在國內(nèi)能夠模擬器等離子體條件的設(shè)備是非常稀缺的。國內(nèi)STEP裝置(目前至于合肥中科 院等離子體物理研究所)的離子源具有高能束流可達(dá)IO21量級，如果降低其能量就會導(dǎo)致束流量的迅速下降，而托卡馬克裝置中實(shí)際輻照并不會產(chǎn)生1000ev量級的能量，因此模擬其真實(shí)熱核聚變中的低能高束流設(shè)備對于等離子體材料研究是至關(guān)重要的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)ECR-PECVD只能單一作為化學(xué)氣相沉積鍍膜使用，應(yīng)用領(lǐng)域狹窄的缺陷。在研究面向等離子體材料過程中，穩(wěn)定的離子源是必不可少的，并且對束流的量化要求也比較嚴(yán)格，在束流量計(jì)算上還缺乏一定的丈量標(biāo)準(zhǔn)。要計(jì)算離子源的束流量就要研究等離子體邊緣形成的鞘層，由于電子和離子都做熱運(yùn)動，而電子比離子質(zhì)量小，熱速度就比離子大，先到達(dá)樣品表面，這樣會影響到離子對樣品表面影響的研究，電子使樣品上帶的正偏壓大約為20V。通過不斷嘗試，在樣品上加上一個(gè)負(fù)偏壓會起到排斥電子同時(shí)吸引離子的作用，其中束流量的計(jì)算公式為:
[0005]flux=-^3-
[0006]其中I為流經(jīng)樣品表面電流，q為電子帶電量，r為樣品半徑。
[0007]通過對銅線圈磁場的測量,確定在860~900Gs之間的磁場強(qiáng)度對氦氣電離效果最佳，線圈電流大致在140A左右。
[0008]結(jié)果表明在樣品上加上負(fù)偏壓在40~150V時(shí)能夠產(chǎn)生不同的束流量，其范圍在
0.01~2X102°He.m_2.s-1之間。在調(diào)節(jié)偏壓和微波源功率會得到穩(wěn)定的輸出束流。本裝置設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)ECR裝置相比，具有穩(wěn)定的輸出束流和能量，可進(jìn)一步對面向等離子體材料進(jìn)行研究，并且解決了實(shí)驗(yàn)中缺少低能高束流設(shè)備的問題。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，該裝置包括微波源、通電線圈、進(jìn)氣管、手持式紅外測溫儀、可視窗口、加熱爐、抽真空管道、水冷管、樣品、絕緣陶瓷片。
[0010]設(shè)備的腔體上端附有通電線圈，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側(cè)設(shè)有進(jìn)氣管，底端設(shè)有抽氣管道，另一側(cè)設(shè)有可視窗口。
[0011]樣品臺內(nèi)部設(shè)有加熱爐盤和水冷裝置，其水冷系統(tǒng)是安裝在爐盤下部，這樣就能夠?qū)悠放_進(jìn)行主動加溫和冷卻，通過外部的紅外測溫儀的反饋，精確控制其溫度，為實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
[0012]因此，本裝置可作為一種新型、穩(wěn)定輸出的離子源裝置，對面向等離子體材料的發(fā)展與研究具有特殊意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1ECR-PECVD改裝后的示意圖。
[0014]圖2流經(jīng)樣品電流測試方法與負(fù)偏壓接法。
[0015]圖3偏壓對樣品中電流的影響曲線。
[0016]圖4偏壓對束流量的影響曲線。
[0017]圖中:1、微波源，2、通電線圈，3、進(jìn)氣管，4、手持式紅外測溫儀，5、可視窗口，6、力口熱爐，7、抽真空管道，8、水冷管，9、樣品，10、絕緣陶瓷片，11、偏壓源。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本方面作進(jìn)一步說明。
[0019]如圖1-4所示，一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，該裝置包括微波源1、通電線圈2、進(jìn)氣管3、手持式紅外測溫儀4、可視窗口 5、加熱爐6、抽真空管道7、水冷管8、樣品9、絕緣陶瓷片10。
[0020]設(shè)備的腔體上端附有通電線圈2，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側(cè)設(shè)有進(jìn)氣管3，底端設(shè)有抽氣管道7，另一側(cè)設(shè)有可視窗口 5。
[0021]樣品臺內(nèi)部設(shè)有加熱爐盤6和水冷裝置8，其水冷系統(tǒng)是安裝在爐盤下部，這樣就能夠?qū)悠放_進(jìn)行主動加溫和冷卻，通過外部的紅外測溫儀的反饋，精確控制其溫度，為實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
[0022]在樣品臺上設(shè)有絕緣陶瓷片10，避免樣品9和腔體形成回路對電流的測量造成影響。在腔體外對樣品9串聯(lián)一個(gè)可調(diào)式偏壓源11，在進(jìn)行輻照時(shí)，通過對偏壓源的調(diào)節(jié)可控制離子輻照的能量，同時(shí)對離子的束流量影響很大。
[0023]當(dāng)腔體氣壓抽到所需值時(shí)調(diào)節(jié)微波源1，微波的能量與通電線圈2產(chǎn)生磁場相互作用使其達(dá)到氣體的共震頻率，促使氣體電離。微波源的功率在200?400W，調(diào)節(jié)微波輸出攻略可使氣體電離程度不同。同時(shí)偏壓源11在調(diào)節(jié)的過程中會使腔體內(nèi)的電場發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致樣品吸引離子的能量不同，最終決定離子的束流量。在加熱爐盤10以及水冷8的作用下可以精確的控制樣品的襯底溫度，有助于實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)的調(diào)節(jié)。
[0024]為達(dá)到預(yù)期的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)時(shí)必須嚴(yán)格按照操作步驟。[0025]SI將腔體抽真空到10_4Pa，在抽真空過程中緩慢將通電線圈的電流提高到140A左右；
[0026]S2通過加熱爐盤6和冷卻裝置8將樣品臺調(diào)節(jié)至一定溫度；
[0027]S3將預(yù)研究氣體通入腔體，調(diào)節(jié)流量與真空閥使氣壓到10_2?KT1Pa ；
[0028]S4微波源預(yù)熱后啟動，調(diào)節(jié)所需功率使氣體電離；
[0029]S5通過偏壓源11，來調(diào)節(jié)電流表示數(shù)，并將其換算成實(shí)際的束流量；
[0030]通過設(shè)備的調(diào)試，能夠得到不同束流量的等離子束(如圖4所示)，可以對不同的離子束流量輻照后樣品的形貌、結(jié)構(gòu)的變化等進(jìn)行研究。
[0031]實(shí)施例
[0032]1、首先將ECR設(shè)備磁場進(jìn)行標(biāo)定，并將通電線圈升至恰當(dāng)位置，使氦氣能夠充分電離。將墻體內(nèi)部沉積臺改裝成等離子體材料研究的樣品臺，并在樣品臺下加裝水冷以及加熱裝置，使其設(shè)備能夠精確控溫，結(jié)構(gòu)如圖1所示；
[0033]2、將樣品與下方樣品臺用陶瓷片進(jìn)行絕緣，樣品連入導(dǎo)線在腔體外加負(fù)偏壓，必須保證連入導(dǎo)線與腔體絕緣，詳見圖2 ；
[0034]3、在350W2.4GHz的微波電離條件下，測量了其離子放電與所加偏壓隨時(shí)間的變化，從圖中可以看出，其上下波動大約在1mA，詳見圖3 ；
[0035]4、通過對不同負(fù)偏壓測試得出束流量曲線，詳見圖4。在未來面向等離子體材料研究中可以用不同束流密度的等離子體來進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行低能高束流的實(shí)驗(yàn)來模擬熱核聚變中的真實(shí)損傷條件，對未來核聚變能的研究具有特殊意義。
【權(quán)利要求】
1.一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，其特征在于:該裝置包括微波源(I)、通電線圈(2)、進(jìn)氣管(3)、手持式紅外測溫儀(4)、可視窗口(5)、加熱爐(6)、抽真空管道(7)、水冷管(8)、樣品(9)、絕緣陶瓷片(10)； 設(shè)備的腔體上端附有通電線圈(2)，為等氣體電離提供磁場；在腔體的一側(cè)設(shè)有進(jìn)氣管(3)，底端設(shè)有抽氣管道(7)，另一側(cè)設(shè)有可視窗口(5)； 樣品臺內(nèi)部設(shè)有加熱爐盤(6)和水冷裝置(8)，其水冷系統(tǒng)是安裝在爐盤下部，這樣就能夠?qū)悠放_進(jìn)行主動加溫和冷卻，通過外部的紅外測溫儀的反饋，精確控制其溫度，為實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)； 在樣品臺上設(shè)有絕緣陶瓷片(10)，避免樣品(9)和腔體形成回路對電流的測量造成影響。在腔體外對樣品(9)串聯(lián)一個(gè)可調(diào)式偏壓源(11)，在進(jìn)行輻照時(shí)，通過對偏壓源的調(diào)節(jié)可控制離子輻照的能量，同時(shí)對離子的束流量影響很大。
2.依權(quán)利要求1所述的裝置，本裝的操作方法，其特征在于: SI將腔體抽真空到10-4Pa，在抽真空過程中緩慢將通電線圈的電流提高到140A左右； S2通過加熱爐盤(6)和冷卻裝置(8)將樣品臺調(diào)節(jié)至一定溫度； S3將預(yù)研究氣體通入腔體，調(diào)節(jié)流量與真空閥使氣壓到10-2?IO-1Pa ； S4微波源預(yù)熱后啟動，調(diào)節(jié)所需功率使氣體電離； S5通過偏壓源(11)，來調(diào)節(jié)電流表示數(shù)，并將其換算成實(shí)際的束流量； 通過設(shè)備的調(diào)試，能夠得到不同束流量的等離子束，可以對不同的離子束流量輻照后樣品的形貌、結(jié)構(gòu)的變化等進(jìn)行研究。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，其特征在于:當(dāng)腔體氣壓抽到所需值時(shí)調(diào)節(jié)微波源(1)，微波的能量與通電線圈(2)產(chǎn)生磁場相互作用使其達(dá)到氣體的共震頻率，促使氣體電離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，其特征在于:偏壓源(11)在調(diào)節(jié)的過程中會使腔體內(nèi)的電場發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致樣品吸引離子的能量不同，最終決定離子的束流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，其特征在于:在加熱爐盤(10)以及水冷(8)的作用下可以精確的控制樣品的襯底溫度，有助于實(shí)驗(yàn)過程中參數(shù)的調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種進(jìn)行離子輻照實(shí)驗(yàn)的ECR-PECVD裝置，其特征在于:微波源(I)的功率在200?400W，調(diào)節(jié)微波輸出攻略可使氣體電離程度不同。
【文檔編號】H01J37/32GK103926260SQ201410126393
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】王波, 李超, 嚴(yán)輝, 張子龍, 張銘, 王如志, 宋雪梅, 侯育冬, 朱滿康, 劉晶冰, 汪浩 申請人:北京工業(yè)大學(xué)