蒸发用磁偏转电子枪的原理与结构分析

陈晓东，王 磊，何 方，宋 健

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

随着科学技术的迅速发展，电子枪系统已经应用到各个领域：真空镀膜、真空冶金、电子束焊接、医用电子直线加速器的电子源、显示器等。电子束蒸发方法在真空镀膜技术中也得到了较快的发展和应用。产生电子束的装置称为电子枪，本文主要以蒸发用磁偏转电子枪在真空镀膜中的应用为例对电子枪系统做一个大致的分析。

1 工作原理

磁偏转电子枪蒸发是利用热阴极发射电子在电场的作用下成为高能量密度的电子束，该电子束在电磁线圈的磁场中可沿E＊B的方向偏转。电子束偏转270°后，入射到坩埚内的镀膜材料上，电子束的动能转化为热能，使镀膜材料加热气化，完成蒸发镀膜。

2 结构形式及关键部件的作用

磁偏转电子枪系统主要由阴极灯丝、聚束极、阳极、磁偏转系统、高压电极、低压电极、水冷坩埚、高压电源等部分组成。目前常用的e形磁偏转电子枪蒸发源的结构形式如图1所示。

(1)阴极灯丝：阴极灯丝两端有几十伏的交变电压，是用来给灯丝加热，使其表面的电子活跃，易于在灯丝相对阳极(地)10 kV的作用下溢出，产生高能电子束。

(2)扫描线圈：扫描线圈控制着束斑横向和纵向的扫描频率及扫描幅度，同时它和偏转极靴联合控制着束斑在坩埚中的落点和扫描的轨迹。

(3)高压电极：将高压控制柜产生的高压传导到阴极灯丝，控制着电子束产生能量的大小，电子束产生的动能为E=IU[1](式中：E为电子束的动能；U为电势差；I为电子束的束流)。

(4)二次电子收集极：电子束轰击镀膜材料时将产生许多有害的电子，比如二次电子，它会对基片造成损伤，这时就需要有二次电子收集极，图1中没有画出，具体位置设计不确定，有的在坩埚的防护板上面，有的是在偏转磁钢附近[2]。

(5)正离子收集极：由于入射电子与镀膜材料的蒸气碰撞也会产生正离子，在偏转磁场的作用下会沿着入射电子相反的方向运动，这就是过去老式的电子枪在长时间蒸发后会有自我损伤的原因，解决的办法是加设正离子收集极，图1中没有画出，多数将正离子收集极安装在扫描线圈上面[3]。

图1 永磁体偏转单坩埚e形枪蒸发源结构示意图

注：无论是二次电子的收集还是正离子的收集，它们都是不完全的，因为离子在磁场和电场的作用下运行的轨迹和速度永远不可能完全一致。所以为了减少损伤除了加设收集极外，在满足镀膜质量的前提下尽量采用低电压高电流的方式。

(6)高压控制柜：电子枪灯丝的电压相对于阳极(阳极多数为0 V)一般在－4～10 kV，有的甚至达到几十千伏，以－10 kV为例，三相变压器通过高压柜产生交变的10 kV的电压后，需要经过三相整流滤波，最后以对地－10 kV的方式输出到灯丝，这时灯丝对阳极的电压是－10 kV，而其两端的电位差大多情况是几十伏，这几十伏的交变电压作用是：加热灯丝，使其表面的电子活跃，易于在高电场的作用下溢出，产生电子束。

3 电子枪蒸发功率的自动控制过程

电子枪阴极灯丝产生电子的多少除了和高压有关外，还和灯丝两端加有几十伏的交变电压有关。当膜厚控制仪监测的蒸发的速率大于或小于设定的蒸发速率时，将信号传导到电子枪高压柜(或通过PLC传递给高压柜)，高压柜不改变灯丝对地电压的绝对值，而是只减小或增加灯丝两端几十伏的电压，使灯丝产生的活跃电子减少，从而控制束流的大小，达到改变蒸发功率的目的。

4 高真空条件下运行

(1)电子枪蒸发的过程中，蒸发材料在获得电子束能量气化后产生的粒子以一定的速度在空间沿直线运动，直到与其他粒子碰撞为止。在真空室内，当气相中的粒子浓度和残余气体的压力足够低时，这些粒子从蒸发源到基片之间可以保持直线飞行，否则，就会产生碰撞而改变方向。因此为减少粒子间的碰撞几率，把真空室内抽成高真空是必要的。

(2)从蒸发材料方面考虑，在蒸发材料在获得电子束的能量之后就会发生气化现象，即由固相或液相进入到气相。在真空条件下物质的蒸发要比相对低的真空下容易的多，所需要的蒸发温度也大幅下降，因此熔化蒸发过程缩短。例如，在一个大气压下，铝必须达到2400℃才能蒸发，但是在10－3Pa的真空条件下只要达到847℃就可以蒸发[4]。

(3)从电子枪维护方面考虑，在较高的真空下运行可以避免阴极“中毒”，可以提高灯丝的使用寿命。

5 电子枪蒸发的优点

(1)电子枪产生的电子束作为热源能获得远比电阻加热更大的能量密度，可以将熔点高达3000℃以上的材料蒸发，且有较高的蒸发速率。

(2)由于蒸发材料置于水冷坩埚内，因而可以避免容器材料的蒸发，以及容器材料与蒸发材料之间的反应，并可避免坩埚杂质对蒸发源的沾污，这对镀膜的纯度极为重要。

(3)热量可以直接加到蒸发材料的表面，因而热效率高，热传导热辐射的损失少。

6 维护

利用电子枪长期蒸发后，灯丝容易产生变形，枪体会出现污染现象，绝缘陶瓷也有可能因拆装不善而导致碎裂，因此需要定期维护。一般清理电子枪采取先干喷砂再用气枪吹净灰尘的方式。更换灯丝前需要用万用表测量阴极与阳极之间是否绝缘，若还有短路或存在一定的阻值，则需要查找短路原因，排除故障后再安装灯丝。灯丝的位置一般来说是固定的，多数电子枪配有专门的工具，可确保每一次安装灯丝位置的正确性和一致性，否则极有可能影响蒸发的效果。

7 结论

通过分析磁偏转电子枪系统的原理和结构，可以根据蒸发材料和蒸发工艺要求选用相应功率相应结构的电子枪，同时可相应的调整扫描的轨迹和扫描幅度，在符合要求真空度的前提下，使基片达到更好的蒸发效果。

[1]李正中.薄膜光学与镀膜技术[M].北京：轩艺出版社，2001.

[2]张以忱.真空镀膜技术[M].北京：冶金工业出版社，2009：72-75.

[3]张以忱.电子枪与离子束技术[M].北京：冶金工业出版社，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.