RU2071992C1 - Способ обработки изделий источником ионов - Google Patents
Способ обработки изделий источником ионов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2071992C1 RU2071992C1 SU5018360A RU2071992C1 RU 2071992 C1 RU2071992 C1 RU 2071992C1 SU 5018360 A SU5018360 A SU 5018360A RU 2071992 C1 RU2071992 C1 RU 2071992C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- ions
- ion source
- chamber
- potential
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Использование: для обработки изделий в вакууме с целью очистки их поверхности, для повышения адгезии наносимых покрытий, а также для травления и ионной фрезеровки изделий, полировки поверхности, распыления любых материалов, упрочнения и модификации поверхности имплантацией ионов. Сущность изобретения: в вакуумной камере посредством источника ионов формируют ионный пучок. Напротив эмиссионной поверхности источника устанавливают обрабатываемое изделие. При этом последнее размещают от эмиссионной поверхности источника ионов на расстоянии L, превышающем длину свободного пробега ионов в режиме их перезарядки. В результате перезарядки пучок положительно заряженных ионов трансформируется в пучок нейтральных атомов без заметных изменений направления и величины скорости частиц. Процентное содержание нейтральных атомов в пучке по отношению к заряженным ионам можно сделать сколь угодно большим, варьируя расстояние L и давление газа в камере. Процесс не зависит от потенциала поверхности изделия, заряжаемой оставшимися в пучке ионами. Снижению величины этого потенциала способствуют электроны из слоя синтезированной плазмы, прилегающей к эмиссионной поверхности источника ионов. Быстрые нейтральные атомы в пучке осуществляют распыление диэлектрической мишени с энергией, практически равной энергии первичного пучка ионов.
Description
Изобретение относится к технологии обработки изделий ионами в вакууме с целью их очистки и повышения адгезии наносимых покрытий с целью травления и ионной фрезеровки изделий, полировки поверхности, распыления любых материалов или с целью упрочнения и модификации поверхности имплантацией ионов.
Известен способ ионной обработки изделий (Дороднов А.М. Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. Журнал технической физики, т. 51, N 3, 1981, с. 504 524), включающий погружение изделий в металлическую плазму, генерируемую в вакуумной камере с помощью электродуговых испарителей, и подачу на изделия отрицательного напряжения, превышающего критическую величину, при которой скорость распыления бомбардирующими поверхность ионами металла из окружающей изделие плазмы превышает скорость конденсации металла на его поверхности. Недостатками способа являются неизбежные дополнительные затраты энергии на снятие с поверхности конденсирующегося металла, высокое (1 кВ) напряжение на изделиях, искровые явления, приводящие к эрозии и снижению класса чистоты обработки поверхности, а также резкая неоднородность плотности ионного тока на поверхности изделий сложной геометрии.
Плотность тока на режущих кромках инструмента в десятки раз превышает плотность тока в пазах и углублениях. В результате ионного распыления режущие кромки притупляются и перегреваются, в то время как очистка пазов осуществляется недостаточно эффективно и в ряде случаев сопровождается конденсацией металла на неочищенных поверхностях. Это снижает адгезию покрытий в пазах и качество выпускаемой продукции.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ ионной обработки изделий (Ивановский Г.Ф. Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М. Радио и связь, 1986, с. 207, рис. 5.4, прототип), включающий формирование в вакуумной камере с помощью источника ионов ионного пучка большого сечения, размещение изделий в камере напротив эмиссионной поверхности (эмиссионной сетки, выходной апертуры и пр.) источников ионов и компенсацию положительного объемного заряда пучка электронами с помощью расположенного в камере термоэмиссионного нейтрализатора. Недостатком способа является необходимость нейтрализации пучка с использованием накаливаемых катодов, имеющих ограниченный срок службы (десятки часов при работе в инертных газах) и исключающих обработку изделий ионами химически активных газов.
Целью изобретения является обработка изделий ионами любых, в том числе химически активных, газов, увеличение срока службы и упрощение конструкции используемого для обработки оборудования.
Поставленная цель достигается тем, что при способе ионной обработки изделий, включающем формирование в вакуумной камере с помощью источника ионов ионного пучка и размещение изделий в камере напротив эмиссионной поверхности источника ионов, изделия размещаются от эмиссионной поверхности источника ионов на расстоянии L, превышающем длину свободного пробега ионов до их перезарядки, т.е.
λn(см)=1/nσn=T/273 σn•3,54•1016p<L, где
где n плотность газа в камере, см-3,
σn cечение перезарядки, см2,
Т температура газа, град. Кельвина,
р давление газа в камере, мм рт.ст.
где n плотность газа в камере, см-3,
σn cечение перезарядки, см2,
Т температура газа, град. Кельвина,
р давление газа в камере, мм рт.ст.
В результате перезарядки пучок положительно заряженных ионов трансформируется в пучок нейтральных атомов без заметных изменений направления и величины скорости частиц, беспрепятственно достигающих поверхности любого материала, имеющей любой потенциал. При этом отсутствует термоэмиссионный нейтрализатор. В результате возможна обработка изделий быстрыми нейтральными атомами химически активных газов. Исключение из состава оборудования нейтрализатора с источниками его питания повышает срок службы и упрощает конструкцию оборудования.
Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными соответствует критериям охраноспособности, поскольку совокупность заявленных признаков, отраженная в формуле изобретения, не была обнаружена в данной и смежных областях науки и техники для решения поставленной задачи. Необходимо также отметить, что достигаемый результат может быть реализован лишь всей совокупностью заявленных признаков, т.к. указанный результат не является простым суммированием свойств отдельных признаков, поскольку не проявляется при использовании любого из них в отдельности в известных решениях.
Способ осуществляется следующим образом. При столкновении влетающих в камеру через эмиссионную поверхность ионов с молекулами газа в камере последние отдают ионам по электрону, превращаясь в медленные тепловые ионы и формируя прилегающий к эмиссионной поверхности источника ионов слой положительного объемного заряда с шириной порядка длины свободного пробега λn ионов по отношению к перезарядке. Образующиеся в результате бомбардировки тепловыми ионами конструктивных элементов источника ионов и камеры вторичные электроны втягиваются в поле и осциллируют внутри электростатической ловушки положительного объемного заряда, нейтрализуя последний. В результате синтезируется плазма, потенциал которой превышает, как показал эксперимент, потенциал вакуумной камеры не более чем на несколько десятков вольт. Тепловые ионы вытягиваются указанной разностью потенциалов из синтезированной плазмы на камеру и конструктивные элементы источников ионов, а образовавшиеся в результате перезарядки нейтральные быстрые атомы беспрепятственно летят до столкновения с поверхностью изделия. Их энергия может уменьшиться при прохождении через синтезированную плазму по сравнению с энергией первичного ионного пучка, но не более чем на указанную величину в несколько десятков электронвольт. Характер воздействия пучка быстрых нейтральных атомов на поверхность ничем не отличается от воздействия пучка ионов и зависит лишь от их энергии.
Приведем пример конкретного использования предлагаемого способа для распыления диэлектрического материала ионами аргона с энергией 2 кэВ. Сечение перезарядки для ионов с указанной энергией σn=1,6•10-15 см2 (Хастед Дж. Физика атомных столкновений. М. Мир, 1965, с. 562, фиг. 12.5). Если температура газа в вакуумной камере близка к нормальной (Т≈300К), а давление газа р 10-3 мм рт. ст. то плотность газа в камере n 2,687•1019 р/760 3,54•1013 см-3, а длина свободного пробега ионов по отношению к процессу перезарядки λn=1/nσn=17,6 см см. Распыляемую мишень размещают в камере на расстоянии L от эмиссионной поверхности источника ионов равном 18 см или более. При L 17,6 cм содержание в пучке ускоренных частиц ионов уменьшается в е 2,72 раза и на поверхность мишени поступает 63% быстрых нейтральных атомов и 37% ионов. При L 35,2 см содержание ионов в пучке уменьшается в e2 7,39 раза и на мишень приходит 86,5% быстрых нейтральных атомов и 13,5% ионов. Увеличивая расстояние L, можно сделать убывающее по экспоненциальному закону содержание ионов в пучке сколь угодно малым. Однако уже при пучок заметно рассеивается в результате упругих соударений быстрых нейтральных атомов с молекулами газа и дальнейшее увеличение L нецелесообразно. Вместо увеличения L можно повышать давление газа в камере. При р 3•10-3 мм рт.ст. λn=5,9 см расстояние L можно сократить до 6 см при 65%-ном содержание быстрых нейтральных атомов в пучке. Они распыляют диэлектрическую мишень с энергией, практически равной энергии первичного пучка ионов. Процесс не зависит от потенциала поверхности, заряжаемой оставшимися в пучке ионами. Снижению величины этого потенциала способствуют электроны из слоя синтезированной плазмы, прилегающей к эмиссионной поверхности источника ионов. По сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает обработку изделий из любых материалов независимо от потенциала их поверхности. Он позволяет обрабатывать изделия быстрыми нейтральными атомами химически активных газов, упростить конструкцию и повысить в десятки и сотни раз срок службы применяемого оборудования.
Claims (1)
- Способ обработки изделий источником ионов, включающий формирование в вакуумной камере с помощью источника ионов ионного пучка и размещение изделий в камере напротив эмиссионной поверхности источника ионов, отличающийся тем, что изделия размещают от эмиcсионной поверхности источника на расстоянии, превышающем длину свободного пробега ионов по отношению к процессу перезарядки.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5018360 RU2071992C1 (ru) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | Способ обработки изделий источником ионов |
US08/146,043 US5503725A (en) | 1991-04-29 | 1992-04-23 | Method and device for treatment of products in gas-discharge plasma |
EP92911913A EP0583473B1 (en) | 1991-04-29 | 1992-04-23 | Method and device for treatment of articles in gas-discharge plasma |
DE69227313T DE69227313T2 (de) | 1991-04-29 | 1992-04-23 | Verfahren und vorrichtung zur behandlung von bauteilen in einem gasentladungsplasma |
PCT/RU1992/000204 WO1993010552A1 (en) | 1991-11-11 | 1992-11-10 | Method and device for generation of ion beam |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5018360 RU2071992C1 (ru) | 1991-12-24 | 1991-12-24 | Способ обработки изделий источником ионов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2071992C1 true RU2071992C1 (ru) | 1997-01-20 |
Family
ID=21592461
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5018360 RU2071992C1 (ru) | 1991-04-29 | 1991-12-24 | Способ обработки изделий источником ионов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2071992C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA008187B1 (ru) * | 2005-06-07 | 2007-04-27 | Владимир Яковлевич ШИРИПОВ | Способ очистки теневых масок в производстве дисплеев (варианты) и устройство для его реализации |
US9387454B2 (en) | 2008-06-18 | 2016-07-12 | Xyleco, Inc. | Processing material with ion beams |
US9409140B2 (en) | 2008-04-30 | 2016-08-09 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
CN113365747A (zh) * | 2019-01-30 | 2021-09-07 | 应用材料公司 | 用于清洁真空系统的方法、用于真空处理基板的方法以及用于真空处理基板的设备 |
-
1991
- 1991-12-24 RU SU5018360 patent/RU2071992C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ивановский Г.Ф. и др. Ионно-плазменная обработки материалов.- М.: Радио и связь, 1986, с. 207, рис.5.4. 2. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники.- М.: Высшая школа, 1979, с. 91. * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA008187B1 (ru) * | 2005-06-07 | 2007-04-27 | Владимир Яковлевич ШИРИПОВ | Способ очистки теневых масок в производстве дисплеев (варианты) и устройство для его реализации |
US9409140B2 (en) | 2008-04-30 | 2016-08-09 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
US9517444B2 (en) | 2008-04-30 | 2016-12-13 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
US9700868B2 (en) | 2008-04-30 | 2017-07-11 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
US9919282B2 (en) | 2008-04-30 | 2018-03-20 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
US10092890B2 (en) | 2008-04-30 | 2018-10-09 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
US10500560B2 (en) | 2008-04-30 | 2019-12-10 | Xyleco, Inc. | Processing biomass and petroleum containing materials |
US9387454B2 (en) | 2008-06-18 | 2016-07-12 | Xyleco, Inc. | Processing material with ion beams |
US9687810B2 (en) | 2008-06-18 | 2017-06-27 | Xyleco, Inc. | Processing materials with ion beams |
US9937478B2 (en) | 2008-06-18 | 2018-04-10 | Xyleco, Inc. | Processing materials with ion beams |
US10399059B2 (en) | 2008-06-18 | 2019-09-03 | Xyleco, Inc. | Processing material with ion beams |
CN113365747A (zh) * | 2019-01-30 | 2021-09-07 | 应用材料公司 | 用于清洁真空系统的方法、用于真空处理基板的方法以及用于真空处理基板的设备 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0055326B1 (en) | System and method for deflecting and focusing a broad plasma beam | |
Kondo et al. | A self-consistent numerical analysis of a planar dc magnetron discharge by the particle-in-cell/Monte Carlo method | |
Nanbu et al. | Analysis of three-dimensional dc magnetron discharge by the particle-in-cell/Monte Carlo method | |
US10923306B2 (en) | Ion source with biased extraction plate | |
JP5337028B2 (ja) | 装置 | |
KR102461902B1 (ko) | 작업물 프로세싱을 위한 저 입자 용량 결합 컴포넌트들 | |
RU2071992C1 (ru) | Способ обработки изделий источником ионов | |
Moore et al. | 1D PIC-DSMC simulations of breakdown in microscale gaps | |
RU2373603C1 (ru) | Источник быстрых нейтральных атомов | |
RU2716133C1 (ru) | Источник быстрых нейтральных молекул | |
Kostov et al. | Numerical simulation of magnetic-field-enhanced plasma immersion ion implantation in cylindrical geometry | |
Ryabchikov et al. | Behavior of macroparticles near and on a substrate immersed in a vacuum arc plasma at negative high-frequency short-pulsed biasing | |
Rossnagel et al. | Thin film processes II | |
RU2039843C1 (ru) | Способ комплексной обработки изделий | |
US11600473B2 (en) | Ion source with biased extraction plate | |
Dubinov | A particle-in-cell simulation of a process of avalanche developing at a non-completed sliding discharge | |
RU2702623C1 (ru) | Источник быстрых нейтральных молекул | |
RU2817564C1 (ru) | Источник быстрых атомов для травления диэлектриков | |
RU2752877C1 (ru) | Устройство для обработки диэлектрических изделий быстрыми атомами | |
RU2778246C1 (ru) | Устройство для обработки изделий быстрыми атомами | |
Kuzmichev et al. | Redistribution of sputtered material in a plane ion-plasma system with an abnormal glow discharge | |
EP0095879A2 (en) | Apparatus and method for working surfaces with a low energy high intensity ion beam | |
Volpian et al. | Modeling of fast neutral atoms flow generation in channel rays of glow discharge | |
Metel et al. | Generation of Electron and Fast Atom Beams by a Grid Immersed in Plasma | |
Kolpakov et al. | A source of a wide-aperture gas-discharge plasma flow |