EA009514B1 - Способ ионной обработки поверхности диэлектрика и устройство для осуществления способа - Google Patents

Abstract

Способ ионной обработки диэлектрических поверхностей и устройство для его реализации относятся к области вакуумной обработки поверхности потоком ионов с целью ее очистки, активации, модификации, ассистирования, имплантации, травления и предназначены для нейтрализации заряда на поверхности диэлектрика перед нанесением пленочного покрытия. Предлагаемый в качестве изобретения способ отличается от известных способов аналогичного назначения тем, что поток электронов формируют с помощью плазменного катодного разряда с туннелеобразным магнитным полем. Причем, часть магнитного потока туннелеобразного магнитного поля одновременно пересекает поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика, а в качестве катода используют графит и /или бор. При этом в состав рабочего газа включают кислород с содержанием 10-100%. Предлагаемое в качестве изобретения устройство для реализации предлагаемого способа отличается от известных устройств аналогичного назначения тем, что в качестве источника электронов используют катодное разрядное устройство, катод которого выполнен из графита и/или бора, а магнитная система установлена под поверхностью катода для создания на его поверхности магнитного потока туннелеобразной формы. При этом катодное разрядное устройство расположено относительно поверхности диэлектрика и выходной апертуры источника ионов таким образом, что зона воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность и зона пересечения магнитного потока с этой поверхностью образуют зону взаимного перекрытия.

Description

Известны устройства, предназначенные для обработки поверхности материалов потоком ионов с нейтрализацией зарядов. Такие устройства включают в себя источник ионов, источник электронов и обрабатываемую поверхность подложки. Все они характеризуются тем, что в качестве источника электронов используется накальный катод.

Основным недостатком упомянутых решений является малый ресурс работы катода.

Кроме того, катод в них является источником интенсивного теплового излучения, которое воздействует на обрабатываемую поверхность и нагревает ее. При нагревании материал катода испаряется и тем самым происходил загрязнение обрабатываемой поверхности [1, 2, 3].

Известны также способ и устройство для обработки подложек потоком ионов, в котором источником электронов, используемым для нейтрализации зарядов, служит дуговой разряд [4].

Однако данное техническое решение обладает следующими недостатками:

малой эффективностью (низкий КПД) работы источника электронов по сравнению с затрачиваемой энергией;

малым ресурсом работы вследствие использования накального элемента;

сложность конструкции устройства и затруднительность его применения при обработке крупногабаритных поверхностей;

сложность обработки поверхностей, имеющих нелинейную геометрию [4].

Известны также способ и устройство для обработки и нейтрализации заряда, возникающего от ионного пучка на обрабатываемой поверхности, которое использует в качестве источника электронов СВЧ разрядное устройство.

Однако упомянутое техническое решение также обладает целым рядом существенных недостатков, а именно: высокой стоимостью, сложностью конструкции, низким коэффициентом полезного действия, применимостью для обработки только малых площадей, а также рассчитано на работу с потоками ионов малой интенсивности.

Наиболее близким аналогом заявляемых в качестве изобретения способа и устройства для его реализации является объект, по которому обработка поверхности подложки осуществляется источником ионов, который работает одновременно с магнетроном. Суть патента заключается в том, что магнетронный разряд является источником электронов, который необходим, как для функционирования источника ионов, так и для регулировки электрического потенциала, образующегося на поверхности подложки [6].

Однако данное решение обладает рядом ограничений.

Во-первых, оно предназначено только для ассистирования процесса нанесения покрытия, то есть устройство не позволяет эффективно проводить процесс очистки или травления поверхности подложки, поскольку наблюдается сильное загрязнение обрабатываемой поверхности продуктами распыления катода.

Во-вторых, процесс нейтрализации зарядов на подложке не оптимален и требует применения высокой мощности катодного разряда.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение всех вышеупомянутых недостатков, а также обеспечение ионной обработки поверхностей диэлектриков самых различных типоразмеров и конфигураций: от малых, используемых в приборостроении, до очень больших, используемых при строительстве архитектурных сооружений, а также имеющих линейную и криволинейную геометрию.

Поставленная задача решена тем, что в заявляемом способе ионной обработки поверхности диэлектрика, включающем формирование направленного потока ионов и направленного потока электронов, воздействие ими на обрабатываемую поверхность диэлектрика и нейтрализацию положительного заряда, возникающего на поверхности диэлектрика поток электронов формируют с помощью плазменного катодного разряда с туннелеобразным магнитным полем, причем, часть магнитного потока туннелеобразного магнитного поля одновременно пересекает поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика, а в качестве катода используют графит и /или бор.

В предлагаемом способе часть туннелеобразного магнитного поля, одновременно пересекающая поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика, составляет не менее 20% от общего магнитного потока, а зона воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность и зона пересечения части туннелеобразного магнитного поля с этой поверхностью взаимно перекрывают друг друга.

Кроме того напряженность параллельной составляющей туннелеобразного магнитного поля на поверхности катода, обеспечивают в пределах 20-100 мТ, а в состав катода добавляют 0,1-5,0% материала с низкой работой выхода электронов, одного из ряда СТ. Ва, Ьа.

Формирование направленного потока ионов осуществляют с помощью управляемого генератора ионов рабочего газа, в качестве которого используют ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, при этом в состав рабочего газа включают кислород с содержанием 10-100%.

- 1 009514

На решение упомянутой задачи направлено также устройство, предназначенное для реализации заявляемого способа.

Заявленный в качестве изобретения способ ионной обработки поверхности диэлектрика осуществляется следующим образом.

Диэлектрик помещают в вакуумную камеру таким образом, чтобы на его обрабатываемую поверхность воздействовать направленными потоками заряженных частиц, а именно ионов и электронов.

Перед началом процесса воздух из вакуумной камеры откачивают вакуумными насосами до предельного давления 5· 10^-4-10^-3 Па. После чего в вакуумную камеру подают кислород или его смесь с другими газами, причем, процентное содержание кислорода в смеси составляет от 10 до 100%.

При достижении рабочего давления 5· 10^-2-10^-1 Па формируют направленный поток ионов и направленный поток электронов.

Первый формируют путем подачи положительного потенциала на анод генератора ионов рабочего газа, а второй путем подачи отрицательного потенциала на катод катодного разрядного устройства.

При этом происходит одновременная обработка поверхности диэлектрика потоками ионов и электронов, что обеспечивает нейтрализацию положительного заряда, возникающего на его поверхности.

Для повышения эффективности обработки туннелеобразное магнитное поле, возникающее в приповерхностной области катода катодного разрядного устройства, профилируют таким образом, чтобы часть магнитного потока одновременно пересекала поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика.

При этом электроны, находящиеся в области катодного разряда, перемещаются вдоль магнитных силовых линий, которые являются направляющими для их векторов скорости.

Для достижения эффективной нейтрализации, как показали расчеты и экспериментальные исследования, необходимо, чтобы не менее 20% от общего магнитного потока, ответственного за доставку электронов к поверхности диэлектрика, пересекало одновременно поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика.

При этом пространственное перекрытие зоны воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность и зоны пересечения части туннелеобразного магнитного поля с этой поверхностью еще более усиливают эффект нейтрализации.

Магнитное поле плазменного катодного разряда должно быть спроектировано не только в векторном пространстве, но и по абсолютной величине на поверхности катода в пределах 20-100 мТ. Это условие существования интенсивного катодного разряда при пониженных давлениях и условие совместимости работы с источником ионов.

Высокая концентрация плазмы обеспечивает при этом значительный поток электронов.

В качестве источника ионов по предлагаемому способу могут быть использованы различные технологические устройства, но наиболее выгодным с технической и технологической точек зрения, является ускоритель с замкнутым дрейфом электронов.

Используемый ускоритель позволяет формировать пучки ионов различной конфигурации, благодаря которым имеется возможность осуществлять ионную обработку плоских и криволинейных поверхностей. И, кроме того, позволяет формировать протяженные линейные пучки ионов, дающие возможность осуществлять обработку крупногабаритных поверхностей.

Введение в состав рабочих газов кислорода необходимо для минимизации загрязнений обрабатываемых диэлектрических поверхностей.

При использовании плазменного катодного разряда происходит распыление материала катода, который вызывает загрязнение диэлектрических поверхностей продуктами распыления.

Однако при использовании в качестве материала катода графита или бора и в качестве рабочего газа кислорода или его смеси в процессе распыления катода образуются летучие соединения (СО, СО₂, В₂О₃, ВО₂), которые не конденсируются на обрабатываемой поверхности, а удаляются из камеры вакуумными насосами. Кроме того данные материалы характеризуются низкими коэффициентами распыления, поэтому предлагаемые решения сводят загрязнение обрабатываемой поверхности диэлектрика к нулю.

Эффект нейтрализации на поверхности диэлектрика усиливается еще в большей степени в том случае, когда в состав материала катода вводят элементы с низкой работой выхода электронов, такие как С§, Ва, Ьа.

В этом случае значительно увеличивается плотность электронного потока, что позволяет работать с меньшими мощностями катодного разряда. При этом количественная величина таких добавок, установленная экспериментальными исследованиями, лежит в диапазоне 0,1-5,0%. При введении добавок выше этого диапазона происходит загрязнение обрабатываемой поверхности, поскольку данные материалы не образуют летучих соединений с кислородом.

Окончание процесса ионной обработки поверхности диэлектрика определяют по суммарному времени экспозиции нахождения обрабатываемого изделия в зоне обработки ионного и электронного потоков и технологическими режимами.

- 2 009514

При реализации процесса обработки в установках проходного типа после окончания процесса изделие перемещают на следующую позицию, а на его место помещают очередное изделие для ионной обработки.

После окончания процесса вакуумную камеру заполняют воздухом, доводят значение давления до атмосферного и производят перезагрузку изделий.

Пример конкретного выполнения способа ионной обработки поверхности диэлектрика.

На фиг. 1 схематически представлено устройство, поясняющее работу заявляемого способа, где 1 обрабатываемая поверхность; 2 - источник ионов; 3 - источник электронов, состоящий из катода 4 катодного разрядного устройства и 5 - магнитной системы; 6 - туннелеобразный магнитный поток, создаваемый магнитной системой 5.

Изделие с обрабатываемой поверхностью 1 (например, стеклянная пластина 1260x940 мм), помещенное на транспортную кассету, поступает в вакуумную камеру ионной обработки, в которой, напротив обрабатываемой поверхности 1 расположены устройства предназначенные для формирования потоков ионов и электронов, соответственно 2 и 3.

Воздух из вакуумной камеры откачивают вакуумными насосами до предельного давления 5-10^-4 10^-3 Па, после чего в вакуумную камеру подают смесь кислорода и аргона в соотношении 70:30%.

На анод источника 2 ионов подают положительный потенциал 4,2 кВ.

При зажигании разряда формируют пучок ионов ленточного типа с общим током 1,4 А. Одновременно на катод 4 источника 3 электронов подают отрицательный относительно земли потенциал 550 В, который зажигает плазменный разряд 5,5 А. При этом магнитная система 5 формирует туннелеобразное магнитное ноле 6 катодного разрядного устройства.

Далее осуществляют одновременную обработку поверхности стеклянной пластины 1 потоками ионов и электронов и таким образом обеспечивают нейтрализацию положительного заряда, возникающего на ее поверхности.

При этом скорость перемещения пластины 1 относительно газоразрядных устройств 2 и 3 устанавливают 1,5 м/мин.

Туннелеобразное магнитное поле 6 возникающее на поверхности катода 4 катодного разрядного устройства, профилируют таким образом, чтобы часть магнитного потока (например, 25%) одновременно пересекала поверхность катода 4 и обрабатываемую поверхность 1 стеклянной пластины. При этом электроны, находящиеся в области катодного разряда, перемещаются вдоль магнитных силовых линий, которые являются направляющими для их векторов скорости.

Экспериментальным путем установленный процент части магнитного потока 6 (25%), создаваемою магнитной системой 5, способствует достижению эффективной нейтрализации, поскольку обеспечивает доставку электронов к поверхности 1 диэлектрика, в данном случае стеклянной пластины, и одновременное пересечение поверхности катода 4 и обрабатываемой поверхности 1 стекла упомянутой частью магнитного потока 6.

При этом пространственное перекрытие зоны воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность 1 и зоны пересечения части туннелеобразного магнитного потока 6 с этой поверхностью еще более усиливают эффект нейтрализации.

Напряженность магнитного поля плазменного катодного разряда спроектирована не только в векторном пространстве, но и по абсолютной величине и на поверхности катода 4 в данном конкретном примере составляет 40 мТ.

Высокая концентрация плазмы обеспечивает поток электронов с плотностью тока до 10 мА/см². При этом в качестве источника 2 ионов использован ускоритель с замкнутым дрейфом электронов. Это дает возможность формировать пучки ионов различной конфигурации: как для обработки плоских, так и для обработки криволинейных диэлектрических поверхностей, а также формировать протяженные линейные пучки ионов для обработки крупноформатных изделий.

Для минимизации загрязнений, имеющихся и возникающих в результате конденсации продуктов распада при использовании плазменного катодного разряда на поверхности стеклянной пластины 1 в состав рабочих газов вводят кислород. Его процентное содержание в данном конкретном случае составляет 70%.

Используемый в качестве катода 4 материал (в данном случае графит) и в качестве рабочего газа кислород, в процессе распыления катода 4 образуют летучее соединение СО₂, которое не конденсируется на обрабатываемой поверхности, а удаляется из камеры вакуумными насосами.

Кроме того, данный материал (графит) характеризуется низким коэффициентом распыления в связи с чем сводит загрязнение обрабатываемой поверхности 1 стеклянной пластины практически к нулю.

Эффект нейтрализации на обрабатываемой стеклянной поверхности 1 усиливается еще в большей степени в том случае, когда в состав материала катода вводят элемент с низкой работой выхода электронов, такой как С§.

В этом случае в 2-3 раза увеличивается плотность электронного потока, что позволяет работать с меньшими мощностями катодного разряда. При этом количественная величина такой добавки, установ

- 3 009514 ленная экспериментальными исследованиями, составляет 3%.

Окончание процесса ионной обработки поверхности диэлектрика определяют по суммарному времени экспозиции нахождения обрабатываемого изделия в зоне обработки потоками ионов и электронов и технологическими режимами, которое составило в данном конкретном случае 2,5 мин.

При реализации процесса обработки в установках проходного типа после окончания процесса изделие перемещают на следующую позицию, а на его место помещают очередное изделие для ионной обработки.

После окончания процесса вакуумную камеру заполняют воздухом, доводят значение давления до атмосферного и производят перезагрузку изделия.

Заявляемый способ ионной обработки поверхности диэлектрика позволяет осуществлять ионную обработку поверхностей диэлектриков самых различных типоразмеров: от малых, используемых в приборостроении, до очень больших, используемых при строительстве архитектурных сооружений;

производить обработку диэлектрических поверхностей, имеющих линейную и криволинейную геометрию;

обеспечить высокий КПД работы источников ионов и электронов по сравнению с затрачиваемой энергией;

обеспечить высокий ресурс работы катода;

работать с потоками ионов и электронов большой интенсивности, обеспечивая тем самым эффективность очистки поверхности;

свести практически к нулю загрязнение поверхности диэлектрика, возникающее в процессе ионной обработки поверхности за счет осаждения продуктов распыления на ее поверхности.

Предлагаемое в качестве изобретения устройство, предназначенное для реализации заявленного способа ионной обработки диэлектрических поверхностей, существенным образом отличается от известных устройств аналогичного назначения.

Задачей заявляемого устройства для реализации способа ионной обработки диэлектрических поверхностей является устранение всех недостатков, перечисленных в вышеупомянутых устройствах аналогичного назначения [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Поставленная задача решена тем, что в устройстве, предназначенном для осуществления способа ионной обработки поверхности диэлектрика, содержащем вакуумную камеру с размещенной в ней поверхностью диэлектрика, относительно обрабатываемой поверхности которого расположены источник ионов рабочего газа, источник электронов и магнитная система, предназначенная для создания магнитного потока, в качестве источника электронов используют катодное разрядное устройство, катод которого выполнен из графита и/или бора, а магнитная система установлена под поверхностью катода для создания на его поверхности магнитного потока туннелеобразной формы, при этом катодное разрядное устройство расположено относительно поверхности диэлектрика и выходной апертуры источника ионов таким образом, что зона воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность и зона пересечения магнитного потока с этой поверхностью образуют зону взаимного перекрытия.

При этом зона взаимного перекрытия включает но крайней мере 20% магнитного потока, создаваемого магнитной системой. А напряженность параллельной составляющей туннелеобразного магнитного потока на поверхности катода лежит в пределах от 20 до 100 мТ.

Материал катода катодного разрядного устройства включает в себя добавки элементов из ряда С§, Ва, Ьа и/или их соединений в количестве 0,1-5,0 вес.%, а в качестве источника ионов рабочего газа используют ускоритель с замкнутым дрейфом электронов.

При этом обрабатываемая поверхность диэлектрика имеет либо плоскую геометрию, либо криволинейную геометрию.

Выходная апертура источника ионов размещена параллельно или под углом к обрабатываемой поверхности диэлектрика, а угол между выходной апертурой источника ионов и обрабатываемой поверхностью диэлектрика составляет от 0 до 90°.

Кроме того поверхность катода в заявляемом устройстве установлена параллельно или под углом к обрабатываемой поверхности диэлектрика. При этом угол между поверхностью катода и обрабатываемой поверхностью диэлектрика составляет от 0 до 90°.

На фиг. 2 представлен общий вид устройства, предназначенного для реализации способа ионной обработки поверхности диэлектрика, где 1 - обрабатываемая поверхность диэлектрика; 2 - источник ионов; 3 - источник электронов, включающий катод 4 катодного разрядного устройства и магнитную систему 5; 6 - магнитный поток туннелеобразной формы.

Устройство, предназначенное для реализации способа, работает следующим образом.

Изделие, например стеклянную подложку размером 630x470 мм, помещают в транспортную кассету и устанавливают в вакуумной камере таким образом, чтобы обрабатываемая поверхность 1 диэлектрика находилась напротив источника 2 ионов и источника 3 электронов, содержащего катод 4 и магнитную систему 5. При этом катод 4 источника 3 электронов выполнен из графита и/или бора.

Магнитная система 5 источника 3 электронов установлена под поверхностью катода 4 и создает на

- 4 009514 его поверхности магнитный поток 6 туннелеобразной формы. При этом само катодное разрядное устройство расположено относительно поверхности 1 диэлектрика и выходной апертуры источника 2 ионов таким образом, что зона воздействия потока ионов на обрабатываемую 1 поверхность и зона пересечения магнитного потока 6 с этой поверхностью образуют зону взаимного перекрытия. Зона взаимною перекрытия включает 40% туннелеобразного магнитного потока 6, создаваемого магнитной системой 5.

Напряженность параллельной составляющей туннелеобразного магнитного потока 6 на поверхности катода 4 составляет 65 мТ. В качестве источника 2 ионов использован ускоритель с замкнутым дрейфом электронов.

Для проведения процесса ионной обработки воздух из вакуумной камеры откачивают вакуумными насосами до остаточного давления 5х10^-1 Па.

В источник 2 ионов подают смесь кислорода и аргона в соотношении 90:10% и доводят рабочее давление в камере до 6,0х10^-2 Па. На анод источника 2 ионов подают положительный относительно земли потенциал 4,0 кВ и формируют пучок ионов с общим током 0,9 А.

Одновременно на катод 4 источника 3 электронов подают отрицательный относительно земли потенциал 500 В, который зажигает плазменный разряд 1,8 А.

Далее осуществляют одновременную обработку стеклянной полложки потоками ионов и электронов, при этом контроль уровня нейтрализации заряда на поверхности 1 диэлектрика осуществляют при помощи зонда, помещенного в зону обработки.

Скорость перемещения стеклянной подложки относительно газоразрядных устройств составляет 1,5 м/мин, а технологическое время процесса 40 с (фиг. 2).

После окончания процесса нейтрализации вакуумную камеру заполняют воздухом, доводят значение давления до атмосферного и производят перезагрузку изделия.

На фиг. 3-10 представлены различные компоновочные схемы взаимного расположения обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика, источника 2 ионов, источника 3 электронов, включающего катод 4 катодного разрядного устройства и магнитную систему 5, формирующую магнитный поток 6 туннелеобразной формы.

На фиг. 3-6 представлены компоновочные схемы обработки поверхностей диэлектриков, имеющих плоскую поверхность.

Так на фиг. 3 представлена компоновочная схема, в которой источник 2 ионов размещен внутри охватывающего его источника 3 электронов, а выходная апертура источника 2 ионов и поверхность катода 4 с магнитной системой 5, формирующей туннелеобразный магнитный поток 6, установлены параллельно обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика.

На фиг. 4 представлена компоновочная схема, в которой источник 3 электронов находится внутри охватывающего его источника 2 ионов, апертура которого размещена под углом к обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика, а поверхность катода 4 с магнитной системой 5 установлены параллельно этой поверхности.

На фиг. 5 представлена компоновочная схема, в которой источник 2 ионов находится внутри охватывающего его источника 3 электронов, при этом апертура источника 2 ионов размещена под углом, а поверхность катода 4 с магнитной системой 5 источника 3 электронов параллельно обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика.

На фиг. 6 представлена компоновочная схема, в которой источник 2 ионов находится одновременно и внутри и снизу источника 3 электронов, состоящего из катода 4 катодного разрядного устройства и магнитной системы 5, формирующей туннелеобразный магнитный поток 6.

При этом апертура источника 2 ионов размещена параллельно обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика, а угол между поверхностью катода 4 и обрабатываемой поверхностью диэлектрика 1 составляет 90°.

На фиг. 7-10 представлены схемы обработки диэлектриков, имеющих криволинейную поверхность.

Так на фиг. 7 представлена компоновочная схема, в которой обрабатываемая внешняя цилиндрическая поверхность 1 диэлектрика охвачена источником 2 ионов и источником 3 электронов, а апертура источника 2 ионов и поверхность катода 4 с магнитной системой 5, представляющих собой источник 3 электронов, параллельны обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика.

На фиг. 8 представлена компоновочная схема, в которой обрабатываемая внешняя цилиндрическая поверхность 1 диэлектрика также охвачена источником 2 ионов и источником 3 электронов, но апертура источника 2 ионов размещена под углом, а поверхность катода 4 с магнитной системой 5 параллельно обрабатываемой поверхности 1 диэлектрика.

На фиг. 9 представлена компоновочная схема, в которой обрабатывается внутренняя цилиндрическая поверхность диэлектрика. При этом источник 2 ионов и источник 3 электронов расположены внутри нее, причем апертура источника 2 ионов и поверхность катода 4 с магнитной системой 5 параллельны обрабатываемой поверхности диэлектрика 1.

На фиг. 10 представлена компоновочная схема, в которой внутренняя цилиндрическая поверхность диэлектрика 1 обрабатывается также расположенными внутри нее источником 2 ионов и источником 3

- 5 009514 электронов, но апертура источника 2 ионов размещена под углом, а поверхность катода 4 катодного разрядного устройства с магнитной системой 5 параллельно обрабатываемой поверхности диэлектрика 1.

Принцип работы устройств, компоновочные схемы которых представлены на фиг. 3-10, аналогичен принципу работы устройства, описанному выше на примере фиг. 2. Отличия касаются компоновочных размеров и эффективности применения их в реальных технических схемах.

На предлагаемом устройстве, входящем в состав технологического оборудования, проводили ионную обработку поверхности стеклянных подложек площадью 2322 см² (540x430мм), используемых в дисплейном производстве.

Ионная обработка стеклянной поверхности проводилась непосредственно перед нанесением прозрачного проводящего покрытия методом магнетронного распыления керамической 1ТО-мишени.

Для получения бездефектных пленочных 1ТО-покрытий необходимым условием является полная нейтрализация заряда на поверхности при проведении ионной очистки.

В противном случае заряженная поверхность притягивает микрочастицы из плазмы противоположного заряда. Эти микрочастицы размером от 0,1 до 10 мкм при нанесении 1ТО-пленки являются источниками возникновения дефектов - проколов, пор, микронеровностей и т. д.

С целью устранения упомянутых дефектов или их минимизации, проводилась оптимизация режимов работы устройства с последующим анализом дефектности покрытий.

Примеры конкретного применения устройства.

Пример 1. Для проведения процесса ионной обработки стеклянной пластины воздух из вакуумной камеры откачивают вакуумным криогенным насосом до остаточного давления 5,5х 10^-2 Па.

В источник 2 ионов (фиг. 2) подают чистый кислород, при этом рабочее давление в камере составляет 8,0х10^-2 Па.

На анод источника 2 ионов подают положительный относительно земли потенциал 4,2 кВ и формируют пучок ионов с общим током 0,8 А.

При отключенном источнике 3 электронов, состоящем из катода 4 катодного разрядного устройства и магнитной системы 5, формирующей туннелеобразный магнитный поток 6, потенциал зонда имеет положительную величину и составляет 390 В.

При подаче на катод 4 источника 3 электронов отрицательного относительно земли потенциала 500 В зажигается плазменный разряд 2,0 А, при общей подаваемой мощности в 1000 Вт. При этом потенциал зонда становится отрицательным и составляет 35 В.

Скорость перемещения стеклянной пластины 1 относительно газоразрядных устройств 2 и 3 составляет 1,5 м/мин, а технологическое время процесса 30 с.

Далее пластина переметается на позицию магнетрона, где происходит нанесение пленки 1ТО толщиной 0,15 мкм. После извлечения изделия с обработанной поверхностью 1 из вакуумной камеры проводится анализ величины дефектов на поверхности 1 под микроскопом в темном поле.

Максимальный размер дефектов не превышает в данном конкретном случае 0,2-0,3 мкм. (При проведении обработки изделия только ионным пучком без нейтрализации заряда на его поверхности размер дефектов достигает 5-10 мкм и количество дефектов в 5 раз больше, чем при использовании предлагаемого устройства).

Пример 2.

Для проведения процесса ионной очистки воздух из вакуумной камеры откачивают вакуумным криогенным насосом до остаточного давления 5,5х 10^-4 Па.

В источник 2 ионов (фиг. 3) подают чистый кислород, при этом рабочее давление в камере составляет 8,0х10^-2 Па. После этого на анод источника 2 ионов подают положительный относительно земли потенциал 4,2 кВ и формируют пучок ионов с общим током 0,8 А.

При отключенном источнике 3 электронов, состоящем из катода 4 катодного разрядного устройства и магнитной системы 5. формирующей туннелеобразный магнитный поток 6, потенциал зонда имеет положительную величину и составляет 390 В.

При подаче па катод 4 источника 3 электронов отрицательного относительно земли потенциала 500 В зажигается плазменный разряд 1,0 А при общей подаваемой мощности в 500 Вт. При этом потенциал зонда становится отрицательным и составляет 5 В.

Скорость перемещения стеклянной пластины 1 относительно газоразрядных устройств 2 и 3 составляем 1,5 м мин, а технологическое время процесса 30 с.

Далее пластина перемещается на позицию магнетрона, где происходит нанесение пленки 1ТО толщиной 0,15 мкм. После извлечения изделия из вакуумной камеры под микроскопом в темном поле проводится анализ обрабатываемой поверхности изделия на наличие дефектов на его поверхности и их величины. Анализ показал, что максимальный размер дефектов не превышает 0,1-0,2 мкм.

Таким образом, общий анализ работы устройства показывает его эффективность как с точки зрения возможности управления величиной заряда на поверхности диэлектрика, так и с точки зрения снижения дефектности тонкопленочных покрытий в процессе дальнейшей обработки этой поверхности при нанесении 1ТО-покрытий.

- 6 009514

Построение устройства на базе выбранного источника является оптимальным по своей многофункциональности, поскольку позволяет реализовывать различные геометрические варианты системы.

Существенным является тот факт, что предлагаемая в качестве изобретения конструкция дает возможность исполнения данного типа устройств в линейной геометрии, что позволяет обрабатывать крупногабаритные детали.

Предлагаемые в качестве изобретений способ ионной обработки диэлектрической поверхности и устройство для его реализации уникальны и универсальны. Они позволяют осуществлять ионную обработку поверхностей диэлектриков самых различных типоразмеров от малых, используемых в приборостроении, до очень больших, используемых при строительстве архитектурных сооружений;

обеспечить высокое качество ионной обработки поверхности;

обеспечить обработку поверхностей, имеющих линейную и криволинейную геометрию; минимизировать возникновение дефектов на обрабатываемой поверхности;

производить обработку поверхности, обеспечивая высокий КПД работы источников ионов и электронов по сравнению с затрачиваемой энергией;

обеспечить, высокий ресурс работы;

обеспечить, простоту конструкции устройства, предназначенного для реализации данного способа; работать с потоками ионов и электронов большой интенсивности, обеспечивая тем самым эффективность очистки поверхности;

свести практически к нулю загрязнение поверхности диэлектрика, возникающее в процессе ионной обработки поверхности за счет концентрации продуктов распыления на ее поверхности;

обеспечить высокое качество очистки обрабатываемых поверхностей и высокое качество нанесения тонкопленочных покрытий на предварительно обработанные поверхности.

Заявляемые способ и устройство для его реализации промышленно применимы и соответствуют современному уровню техники в области вакуумной обработки диэлектрических поверхностей, освоены в производственных условиях и просты в осуществлении процессов нейтрализации зарядов и очистки обрабатываемых диэлектрических поверхностей.

Источники известности:

1. Патент США № 4731540, МПК Н 011 37/30, опубл. 15 марта 1988 г.

2. Патент США № 5136171, МПК Н 011 37/317, опубл. 04 августа 1992 г.

3. Патент США № 6724160, МПК Н 011 23/00, опубл. 20 апреля 2004 г.

4. Патент США № 6313428, МПК В 23К 10/00, опубл. 06 ноября 2001 г.

5. Патент США № 5576538, МПК Н 051Н 3/00, опубл. 19 ноября 1996 г.

6. Патент США № 6454910, МПК С 23С 14/34, опубл. 24 сентября 2002 г.

Claims (19)

1. Способ ионной обработки поверхности диэлектрика, включающий формирование направленного потока ионов и направленного потока электронов, воздействие ими на обрабатываемую поверхность диэлектрика, при этом поток электронов служит для нейтрализации положительного заряда, возникающего на поверхности диэлектрика, отличающийся тем, что поток электронов формируют с помощью плазменного катодного разряда и туннелеобразного магнитного поля, при этом часть магнитного потока туннелеобразного магнитного поля одновременно пересекает поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика, а в качестве катода используют графит и/или бор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть туннелеобразного магнитного поля, одновременно пересекающая поверхность катода и обрабатываемую поверхность диэлектрика, составляет не менее 20% от общего магнитного потока.

3. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что зона воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность и зона пересечения части туннелеобразного магнитного поля с этой поверхностью взаимно перекрывают друг друга.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что напряженность параллельной составляющей туннелеобразного магнитного поля на поверхности катода обеспечивают в пределах 20-100 мТ.

5. Способ по любому из пп.1, 2, 4, отличающийся тем, что в состав катода добавляют 0,1-5,0% материала с низкой работой выхода электронов, одного из ряда С§, Ва, Ьа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование направленного потока ионов, осуществляют с помощью управляемого генератора ионов рабочего газа.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве генератора ионов рабочего газа используют ускоритель с замкнутым дрейфом электронов.

8. Способ по любому из пп.6, 7, отличающийся тем, что в состав рабочего газа включают кислород с содержанием 10-100%.

9. Устройство для ионной обработки поверхности диэлектрика, содержащее вакуумную камеру, в которой расположены источник ионов рабочего газа, источник электронов и магнитная система, предна

- 7 009514 значенная для создания магнитного поля, отличающееся тем, что источник электронов представляет собой катодное разрядное устройство, катод которого выполнен из графита и/или бора, а магнитная система установлена под поверхностью катода с возможностью создания на его поверхности магнитного поля туннелеобразной формы, при этом, катодное разрядное устройство расположено относительно поверхности диэлектрика и выходной апертуры источника ионов таким образом, что зона воздействия потока ионов на обрабатываемую поверхность и зона пересечения магнитного потока с этой поверхностью образуют зону взаимного перекрытия.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что зона взаимного перекрытия включает по крайней мере 20% магнитного потока, создаваемого магнитной системой.

11. Устройство по любому из пп.9, 10, отличающееся тем, что напряженность параллельной составляющей туннелеобразного магнитного потока на поверхности катода лежит в пределах от 20 до 100 мТ.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что материал катода включает добавки элементов из ряда Сз, Ва, Ьа и/или их соединений в количестве 0,1-5,0 вес.%.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что источник ионов рабочего газа представляет собой ускоритель с замкнутым дрейфом электронов.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что обрабатываемая поверхность диэлектрика имеет плоскую форму.

15. Устройство по п.9, отличающееся тем, что обрабатываемая поверхность диэлектрика имеет криволинейную форму.

16. Устройство по любому из пп.9, 13, отличающееся тем, что выходная апертура источника ионов размещена параллельно или под углом к обрабатываемой поверхности диэлектрика.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что угол между выходной апертурой источника ионов и обрабатываемой поверхностью диэлектрика составляет от 0 до 90°.

18. Устройство по п.9, отличающееся тем, что поверхность катода установлена параллельно к обрабатываемой поверхности диэлектрика.

19. Устройство по п.9, отличающееся тем, что угол между поверхностью катода и обрабатываемой поверхностью диэлектрика составляет от 0 до 90°.