蒸發用磁偏轉電子槍的原理與結構分析

陳曉東，王 磊，何 方，宋 健

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

隨著科學技術的迅速發展，電子槍系統已經應用到各個領域：真空鍍膜、真空冶金、電子束焊接、醫用電子直線加速器的電子源、顯示器等。電子束蒸發方法在真空鍍膜技術中也得到了較快的發展和應用。產生電子束的裝置稱為電子槍，本文主要以蒸發用磁偏轉電子槍在真空鍍膜中的應用為例對電子槍系統做一個大致的分析。

1 工作原理

磁偏轉電子槍蒸發是利用熱陰極發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。電子束偏轉270°后，入射到坩堝內的鍍膜材料上，電子束的動能轉化為熱能，使鍍膜材料加熱氣化，完成蒸發鍍膜。

2 結構形式及關鍵部件的作用

磁偏轉電子槍系統主要由陰極燈絲、聚束極、陽極、磁偏轉系統、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形磁偏轉電子槍蒸發源的結構形式如圖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，同時它和偏轉極靴聯合控制著束斑在坩堝中的落點和掃描的軌跡。

(3)高壓電極：將高壓控制柜產生的高壓傳導到陰極燈絲，控制著電子束產生能量的大小，電子束產生的動能為E=IU[1](式中：E為電子束的動能；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將產生許多有害的電子，比如二次電子，它會對基片造成損傷，這時就需要有二次電子收集極，圖1中沒有畫出，具體位置設計不確定，有的在坩堝的防護板上面，有的是在偏轉磁鋼附近[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產生正離子，在偏轉磁場的作用下會沿著入射電子相反的方向運動，這就是過去老式的電子槍在長時間蒸發后會有自我損傷的原因，解決的辦法是加設正離子收集極，圖1中沒有畫出，多數將正離子收集極安裝在掃描線圈上面[3]。

圖1 永磁體偏轉單坩堝e形槍蒸發源結構示意圖

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，因為離子在磁場和電場的作用下運行的軌跡和速度永遠不可能完全一致。所以為了減少損傷除了加設收集極外，在滿足鍍膜質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(陽極多數為0 V)一般在－4～10 kV，有的甚至達到幾十千伏，以－10 kV為例，三相變壓器通過高壓柜產生交變的10 kV的電壓后，需要經過三相整流濾波，最后以對地－10 kV的方式輸出到燈絲，這時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，產生電子束。

3 電子槍蒸發功率的自動控制過程

電子槍陰極燈絲產生電子的多少除了和高壓有關外，還和燈絲兩端加有幾十伏的交變電壓有關。當膜厚控制儀監測的蒸發的速率大于或小于設定的蒸發速率時，將信號傳導到電子槍高壓柜(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，使燈絲產生的活躍電子減少，從而控制束流的大小，達到改變蒸發功率的目的。

4 高真空條件下運行

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

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

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

5 電子槍蒸發的優點

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

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

(3)熱量可以直接加到蒸發材料的表面，因而熱效率高，熱傳導熱輻射的損失少。

6 維護

利用電子槍長期蒸發后，燈絲容易產生變形，槍體會出現污染現象，絕緣陶瓷也有可能因拆裝不善而導致碎裂，因此需要定期維護。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的效果。

7 結論

通過分析磁偏轉電子槍系統的原理和結構，可以根據蒸發材料和蒸發工藝要求選用相應功率相應結構的電子槍，同時可相應的調整掃描的軌跡和掃描幅度，在符合要求真空度的前提下，使基片達到更好的蒸發效果。

[1]李正中.薄膜光學與鍍膜技術[M].北京：軒藝出版社，2001.

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

[3]張以忱.電子槍與離子束技術[M].北京：冶金工業出版社，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.