陶瓷空心阴极电子枪在离子镀膜领域的应用

1 陶瓷空心阴极电子枪概述
空心阴极放电(Hollow Cathode Discharge,HCD)，具有低电压、大电流、离化率高、粒子能
量大、设备简单、成本低和无公害等优点，近年来被广泛应用于真空冶炼，半导体，核物理，离
子镀等众多领域。尤其是做为真空离子镀膜机的离化和加热源，更是被当做一种纯熟的技术在国
内外大量的使用着。
以往的空心阴极离子镀膜设备是把自电子枪中的钽管由空心阴极效应产生的电子通过磁场
聚焦形成的电子束照射到坩埚上，将欲沉积的金属置于坩埚内使其融化，进而蒸发形成原子状态。
原子态的金属和反应气体的原子与电子相碰撞导致其离化，再利用加速电源形成的电场将金属离
子和气体离子引导到基片表面，这些金属和气体离子在基片表面化合，生核、成长、形成膜层。
由于以前设计的空心阴极镀膜设备其电子枪设在炉内，既占据了真空室的位置以致减少了镀膜空
间，同时又因其复杂的结构在高温下容易导致漏气漏水，故障率高，在使用上有诸多不便。且更
由于点燃钽管所需的真空度较低，而低真空度会导致膜层晶粒粗大，直接影响了镀膜质量。
日本不二越公司在20 世纪90 年代发明制造了一种新型空心阴极电子枪，在保留原有钽管的
基础上，又增设了陶瓷阴极〔LaB6〕，利用钽管发生的电子将陶瓷阴极加热。陶瓷阴极〔LaB6〕
的优点是溢出功较钽管低很多，其在1000 度左右即可发射电子，而钽管则需加热至3000 度方可
发射电子，这在很大程度上减少了钽管的损耗，又节省了电力能源，降低了加工成本。该电子枪
即可作为加热源来加热工件，又可作为离子源对工件进行清洗，同时又可以蒸发欲沉积金属并使
其离化，达到了一枪多功能的效果。由于此种电子枪其主体是安装在真空室外，电子枪的小真空
室与炉体只有一小孔相通，形成了具有压差的高低两真空室，既满足了钽管工作所需的低真空要
求，又可使炉内保持高真空状态，从而有利于高质量膜层的形成。电子枪置于真空室外，减少了
许多故障隐患，提高了设备的稳定性。配备上述电子枪的陶瓷空心阴极离子镀膜设备自问世以来，
已被世界多国所采用，广泛应用于诸如工模具、装饰、光学、半导体等众多镀膜领域。

2 空心阴极离子镀原理及其在离子镀上的应用
空心阴极一般采用高熔点金属钨、鉭的管材制作，如图1 将一截钽管置于真空室内并抽至高
真空。向钽管中通入氩气，并在钽管与辅助阳极之间加上数百伏的高电压。由于空心阴极效应，
在钽管中产生一些电子，这些电子在钽管的两壁之间来回震荡相互碰撞，就会像雪崩一样产生大
量电子，这些电子与氩原子相互碰撞即会将氩原子离化从而产生大量的氩离子。氩离子轰击钽管管壁，使钽管升温。当温度升值3000 度左右时，钽管就会发射包含大量热电子的电子束。空心阴极镀膜设备就是利用这些电子束加热、蒸发、沉积金属。
参考文献
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