蒸發(fā)用磁偏轉(zhuǎn)電子槍的原理與結(jié)構(gòu)分析

陳曉東，王 磊，何 方，宋 健

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子槍系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域：真空鍍膜、真空冶金、電子束焊接、醫(yī)用電子直線加速器的電子源、顯示器等。電子束蒸發(fā)方法在真空鍍膜技術(shù)中也得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用。產(chǎn)生電子束的裝置稱為電子槍，本文主要以蒸發(fā)用磁偏轉(zhuǎn)電子槍在真空鍍膜中的應(yīng)用為例對電子槍系統(tǒng)做一個(gè)大致的分析。

1 工作原理

磁偏轉(zhuǎn)電子槍蒸發(fā)是利用熱陰極發(fā)射電子在電場的作用下成為高能量密度的電子束，該電子束在電磁線圈的磁場中可沿E＊B的方向偏轉(zhuǎn)。電子束偏轉(zhuǎn)270°后，入射到坩堝內(nèi)的鍍膜材料上，電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使鍍膜材料加熱氣化，完成蒸發(fā)鍍膜。

2 結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵部件的作用

磁偏轉(zhuǎn)電子槍系統(tǒng)主要由陰極燈絲、聚束極、陽極、磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、高壓電極、低壓電極、水冷坩堝、高壓電源等部分組成。目前常用的e形磁偏轉(zhuǎn)電子槍蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

(1)陰極燈絲：陰極燈絲兩端有幾十伏的交變電壓，是用來給燈絲加熱，使其表面的電子活躍，易于在燈絲相對陽極(地)10 kV的作用下溢出，產(chǎn)生高能電子束。

(2)掃描線圈：掃描線圈控制著束斑橫向和縱向的掃描頻率及掃描幅度，同時(shí)它和偏轉(zhuǎn)極靴聯(lián)合控制著束斑在坩堝中的落點(diǎn)和掃描的軌跡。

(3)高壓電極：將高壓控制柜產(chǎn)生的高壓傳導(dǎo)到陰極燈絲，控制著電子束產(chǎn)生能量的大小，電子束產(chǎn)生的動(dòng)能為E=IU[1](式中：E為電子束的動(dòng)能；U為電勢差；I為電子束的束流)。

(4)二次電子收集極：電子束轟擊鍍膜材料時(shí)將產(chǎn)生許多有害的電子，比如二次電子，它會(huì)對基片造成損傷，這時(shí)就需要有二次電子收集極，圖1中沒有畫出，具體位置設(shè)計(jì)不確定，有的在坩堝的防護(hù)板上面，有的是在偏轉(zhuǎn)磁鋼附近[2]。

(5)正離子收集極：由于入射電子與鍍膜材料的蒸氣碰撞也會(huì)產(chǎn)生正離子，在偏轉(zhuǎn)磁場的作用下會(huì)沿著入射電子相反的方向運(yùn)動(dòng)，這就是過去老式的電子槍在長時(shí)間蒸發(fā)后會(huì)有自我損傷的原因，解決的辦法是加設(shè)正離子收集極，圖1中沒有畫出，多數(shù)將正離子收集極安裝在掃描線圈上面[3]。

圖1 永磁體偏轉(zhuǎn)單坩堝e(cuò)形槍蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)示意圖

注：無論是二次電子的收集還是正離子的收集，它們都是不完全的，因?yàn)殡x子在磁場和電場的作用下運(yùn)行的軌跡和速度永遠(yuǎn)不可能完全一致。所以為了減少損傷除了加設(shè)收集極外，在滿足鍍膜質(zhì)量的前提下盡量采用低電壓高電流的方式。

(6)高壓控制柜：電子槍燈絲的電壓相對于陽極(陽極多數(shù)為0 V)一般在－4～10 kV，有的甚至達(dá)到幾十千伏，以－10 kV為例，三相變壓器通過高壓柜產(chǎn)生交變的10 kV的電壓后，需要經(jīng)過三相整流濾波，最后以對地－10 kV的方式輸出到燈絲，這時(shí)燈絲對陽極的電壓是－10 kV，而其兩端的電位差大多情況是幾十伏，這幾十伏的交變電壓作用是：加熱燈絲，使其表面的電子活躍，易于在高電場的作用下溢出，產(chǎn)生電子束。

3 電子槍蒸發(fā)功率的自動(dòng)控制過程

電子槍陰極燈絲產(chǎn)生電子的多少除了和高壓有關(guān)外，還和燈絲兩端加有幾十伏的交變電壓有關(guān)。當(dāng)膜厚控制儀監(jiān)測的蒸發(fā)的速率大于或小于設(shè)定的蒸發(fā)速率時(shí)，將信號(hào)傳導(dǎo)到電子槍高壓柜(或通過PLC傳遞給高壓柜)，高壓柜不改變燈絲對地電壓的絕對值，而是只減小或增加燈絲兩端幾十伏的電壓，使燈絲產(chǎn)生的活躍電子減少，從而控制束流的大小，達(dá)到改變蒸發(fā)功率的目的。

4 高真空條件下運(yùn)行

(1)電子槍蒸發(fā)的過程中，蒸發(fā)材料在獲得電子束能量氣化后產(chǎn)生的粒子以一定的速度在空間沿直線運(yùn)動(dòng)，直到與其他粒子碰撞為止。在真空室內(nèi)，當(dāng)氣相中的粒子濃度和殘余氣體的壓力足夠低時(shí)，這些粒子從蒸發(fā)源到基片之間可以保持直線飛行，否則，就會(huì)產(chǎn)生碰撞而改變方向。因此為減少粒子間的碰撞幾率，把真空室內(nèi)抽成高真空是必要的。

(2)從蒸發(fā)材料方面考慮，在蒸發(fā)材料在獲得電子束的能量之后就會(huì)發(fā)生氣化現(xiàn)象，即由固相或液相進(jìn)入到氣相。在真空條件下物質(zhì)的蒸發(fā)要比相對低的真空下容易的多，所需要的蒸發(fā)溫度也大幅下降，因此熔化蒸發(fā)過程縮短。例如，在一個(gè)大氣壓下，鋁必須達(dá)到2400℃才能蒸發(fā)，但是在10－3Pa的真空條件下只要達(dá)到847℃就可以蒸發(fā)[4]。

(3)從電子槍維護(hù)方面考慮，在較高的真空下運(yùn)行可以避免陰極“中毒”，可以提高燈絲的使用壽命。

5 電子槍蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)

(1)電子槍產(chǎn)生的電子束作為熱源能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱更大的能量密度，可以將熔點(diǎn)高達(dá)3000℃以上的材料蒸發(fā)，且有較高的蒸發(fā)速率。

(2)由于蒸發(fā)材料置于水冷坩堝內(nèi)，因而可以避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與蒸發(fā)材料之間的反應(yīng)，并可避免坩堝雜質(zhì)對蒸發(fā)源的沾污，這對鍍膜的純度極為重要。

(3)熱量可以直接加到蒸發(fā)材料的表面，因而熱效率高，熱傳導(dǎo)熱輻射的損失少。

6 維護(hù)

利用電子槍長期蒸發(fā)后，燈絲容易產(chǎn)生變形，槍體會(huì)出現(xiàn)污染現(xiàn)象，絕緣陶瓷也有可能因拆裝不善而導(dǎo)致碎裂，因此需要定期維護(hù)。一般清理電子槍采取先干噴砂再用氣槍吹凈灰塵的方式。更換燈絲前需要用萬用表測量陰極與陽極之間是否絕緣，若還有短路或存在一定的阻值，則需要查找短路原因，排除故障后再安裝燈絲。燈絲的位置一般來說是固定的，多數(shù)電子槍配有專門的工具，可確保每一次安裝燈絲位置的正確性和一致性，否則極有可能影響蒸發(fā)的效果。

7 結(jié)論

通過分析磁偏轉(zhuǎn)電子槍系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)蒸發(fā)材料和蒸發(fā)工藝要求選用相應(yīng)功率相應(yīng)結(jié)構(gòu)的電子槍，同時(shí)可相應(yīng)的調(diào)整掃描的軌跡和掃描幅度，在符合要求真空度的前提下，使基片達(dá)到更好的蒸發(fā)效果。

[1]李正中.薄膜光學(xué)與鍍膜技術(shù)[M].北京：軒藝出版社，2001.

[2]張以忱.真空鍍膜技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：72-75.

[3]張以忱.電子槍與離子束技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[4]SEINO T,SATO T.Aluminum oxide films deposited in low pressure conditions by reactive pulsed de magnet iron sputtering[J].Vacuum Science Technology,2000:634.