RU121813U1

RU121813U1 - DEVICE FOR MODIFICATION OF SOLID SURFACE

Info

Publication number: RU121813U1
Application number: RU2012113284/02U
Authority: RU
Inventors: Сергей Матвеевич Лупехин
Original assignee: Сергей Матвеевич Лупехин
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2012-11-10

Abstract

1. Устройство для модифицирования поверхности твердого тела, состоящее из вакуумной камеры, содержащей источник импульсной плазмы, источник электронов и мишень для обработки плазмой и электронным пучком, отличающееся тем, что источник импульсной плазмы выполнен в виде вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом и сеточным анодом с линейными размерами 10-3-10-1 м, источник электронов выполнен в виде взрывоэмиссионного катода, при этом мишень, катод и анод установлены соосно на съемных вакуумно изолированных высоковольтных вводах с расстоянием между катодом и анодом 10-3-10-2 м. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде плоского диска с центральным сквозным отверстием диаметром 10-4-10-2 м соосно цилиндрическому взрывоэмиссионному катоду, а мишень находится на ускоряющем электроде, расположенном за анодом, противоположно катоду. ! 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электронов выполнен в виде точечного катода. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источником электронов является катод, выполненный в виде стержня из металла, полупроводника или углеродного материала диаметром 10-4-10-2 м. ! 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде плоского диска, на котором располагают мишень. 1. A device for modifying the surface of a solid, consisting of a vacuum chamber containing a pulsed plasma source, an electron source and a target for plasma and electron beam processing, characterized in that the pulsed plasma source is made in the form of a vacuum diode with an explosive emission cathode and a grid anode with linear dimensions 10-3-10-1 m, the electron source is made in the form of an explosive-emission cathode, while the target, cathode and anode are installed coaxially on removable vacuum-insulated high-voltage bushings with a distance between the cathode and anode 10-3-10-2 m! 2. The device according to claim 1, characterized in that the anode is made in the form of a flat disk with a central through hole 10-4-10-2 m in diameter coaxially with the cylindrical explosive-emission cathode, and the target is located on the accelerating electrode located behind the anode, opposite to the cathode. ! 3. The device according to claim 1, characterized in that the electron source is made in the form of a point cathode. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the source of electrons is a cathode made in the form of a rod made of metal, semiconductor or carbon material with a diameter of 10-4-10-2 m! 5. The device according to claim 1, characterized in that the anode is made in the form of a flat disk on which the target is located.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к технике вакуумной ионно-плазменной обработки, и может применяться для формирования и модифицирования поверхности твердотельных материалов, используемых в различных технологических областях электроники.The proposed utility model relates to the technique of vacuum ion-plasma processing, and can be used to form and modify the surface of solid-state materials used in various technological fields of electronics.

Уровень техники представлен импульсным источником плазмы, работающим в импульсном режиме дугового разряда в вакууме, применяющийся в промышленном производстве (А.И.Маслов, Г.К.Дмитриев, Ю.Д.Чистяков. Импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей // Приборы и техника эксперимета. 1985, №2, с.146-149). Устройство состоит из вакуумной камеры, в которой размещен источник плазмы импульсного дугового разряда в составе катода, поджигающего электрода и полого электрода, ускоряющего ионы. Напротив ускоряющего электрода, со стороны, противоположной области размещения катода, расположена мишень для напыления и ионной имплантации рабочего вещества. Для формирования геометрии ионного пучка между ускоряющим электродом и мишенью расположено электромагнитное устройство в виде соленоида. Настоящее устройство выбрано за прототип.The prior art is represented by a pulsed plasma source operating in a pulsed mode of an arc discharge in vacuum, used in industrial production (A.I. Maslov, G.K. Dmitriev, Yu.D. Chistyakov. A pulsed source of carbon plasma for technological purposes // Devices and experimental technique. 1985, No. 2, p. 146-149). The device consists of a vacuum chamber, in which a plasma source of a pulsed arc discharge is located as a part of a cathode, a firing electrode and a hollow electrode accelerating ions. Opposite the accelerating electrode, on the side opposite to the cathode placement area, there is a target for sputtering and ion implantation of the working substance. An electromagnetic device in the form of a solenoid is located between the accelerating electrode and the target to form the ion beam geometry. This device is selected as a prototype.

Данное устройство обладает рядом недостатков: для инициирования дугового разряда использован поджигающий электрод, действие которого основано на формировании искрового разряда вблизи рабочей поверхности катода. Ресурс такого поджигающего узла крайне ограничен. Это связано с интенсивной эрозией электродов и быстрым запылением поджигающего электрода материалом эродирующего катода. Кроме того, устройство не обладает достаточной степенью воспроизводимости параметров плазмы и точностью управления генерацией плазмы.This device has several disadvantages: to initiate an arc discharge, an ignition electrode was used, the action of which is based on the formation of a spark discharge near the working surface of the cathode. The resource of such an incendiary node is extremely limited. This is due to the intense erosion of the electrodes and the rapid dusting of the firing electrode with the material of the eroding cathode. In addition, the device does not have a sufficient degree of reproducibility of the plasma parameters and the accuracy of controlling the generation of plasma.

Предлагаемое устройство позволяет обеспечить: возможность эффективного и прецизионного модифицирования поверхности мишени в результате как совместного, так и раздельного воздействия на поверхность создаваемой импульсной плазмы, ионного пучка из плазмы и электронного тока с катода, которые могут быть созданы под воздействием внешнего электрического поля. При этом плотность сформированной у катода плазмы имеет значение 10¹⁶-10²¹ см^-3. Скорость разлета плазмы составляет величину 10⁶ см/с. Амплитуда импульсного ионного тока из плазмы может достигать значения 1-10² А. Амплитуда импульсов электронного тока может составлять величину 1-10³ А. Длительность импульсов ионного и электронного токов лежит в пределах 10^-9-10^-5 с. Эмиссионные и плазменные характеристики реализуются при использовании внешнего импульсного электрического поля, создаваемого импульсным напряжением 10³-10⁵ В. Использование указанных режимов позволяет проводить модифицирование поверхности с использованием прецизионного регулирования режимов напыления и ионной имплантации, наряду с управляемой обработкой поверхности высокоэнергетическим электронным пучком с большой плотностью тока.The proposed device allows you to provide: the ability to effectively and accurately modify the target surface as a result of both joint and separate exposure to the surface of the generated pulsed plasma, ion beam from the plasma and electron current from the cathode, which can be created under the influence of an external electric field. In this case, the density of the plasma formed at the cathode is 10 ¹⁶ -10 ²¹ cm ^-3 . The plasma expansion velocity is 10 ⁶ cm / s. The amplitude of the pulsed ion current from the plasma can reach 1-10 ² A. The amplitude of the pulses of the electron current can be 1-10 ³ A. The duration of the pulses of ion and electron currents is in the range of 10 ^-9 -10 ^-5 s. Emission and plasma characteristics are realized when using an external pulsed electric field generated by a pulsed voltage of 10 ³ -10 ⁵ V. Using these modes allows you to modify the surface using precision control of spraying and ion implantation, along with the controlled surface treatment by high-energy electron beam with a high density current.

Решение задачи обеспечивает устройство для модифицирования поверхности твердого тела, состоящее из вакуумной камеры, содержащей источник импульсной плазмы, источник электронов и мишень для обработки плазмой и электронным пучком, в котором источник импульсной плазмы выполнен в виде вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом и сеточным анодом с линейными размерами 10^-3-10^-1 м, диод размещен в вакуумной камере, источник электронов выполнен в виде взрывоэмиссионного катода, мишень, катод и анод установлены на съемных вакуумно изолированных высоковольтных вводах, при этом расстояние между катодом и анодом имеет величину 10^-3-10^-2 м.The solution to the problem is provided by a device for modifying the surface of a solid body, consisting of a vacuum chamber containing a source of pulsed plasma, an electron source, and a target for processing by plasma and an electron beam, in which the source of pulsed plasma is made in the form of a vacuum diode with an explosion-emission cathode and a grid anode with linear dimensions 10 ^-3 -10 ^-1 m, the diode is placed in a vacuum chamber, the electron source is made in the form of an explosion-emission cathode, the target, cathode and anode are mounted on removable vacuum-insulated high voltage inputs, while the distance between the cathode and the anode has a value of 10 ^-3 -10 ^-2 m

Рассмотрим, каким образом указанные отличия обеспечивают решение поставленной задачи.Consider how these differences provide a solution to the problem.

Использование взрывоэмиссионного катода совместно с анодом в виде сетки, кольца или полого цилиндра обеспечивает, при подаче на диодную систему катод - анод высоковольтного импульса напряжения амплитудой 10³-10⁵ В и длительностью 10^-9-10^-5 с, инициирование искрового вакуумного разряда, приводящего к образованию прикатодной плазмы с указанными выше параметрами и протеканием взрывной электронной эмиссии, в процессе которой формируется импульсный электронный пучок в промежутке катод - анод. Амплитуда тока пучка 1-10³ А. При этом анод находится под потенциалом земли, на катоде отрицательный потенциал. В этом случае режим работы устройства зависит от того, под каким потенциалом находится мишень. Возможны три основных варианта включения мишени:The use of an explosive emission cathode together with an anode in the form of a grid, a ring or a hollow cylinder provides, when a high-voltage pulse with an amplitude of 10 ³ -10 ⁵ V and a duration of 10 ^-9 -10 ^-5 s is applied to the cathode – anode, initiating a spark vacuum discharge, leading to the formation of a near-cathode plasma with the above parameters and the occurrence of explosive electron emission, during which a pulsed electron beam is formed in the cathode – anode gap. The amplitude of the beam current is 1-10 ³ A. In this case, the anode is under the ground potential, the negative potential at the cathode. In this case, the operation mode of the device depends on the potential under which the target is located. Three main options for turning on the target are possible:

Вариант первый - на мишени положительный потенциал, тогда электронный пучок будет проходить через прозрачный анод, дополнительно ускорятся в промежутке анод - мишень и, при попадании на мишень, обрабатывать ее поверхность. Этот процесс будет проходить до, тех пор, пока плазма разряда, которая имеет полусферический разлет от поверхности катода к аноду, не перемкнет промежуток катод - анод и электронный ток прекратится. Дальнейший разлет плазмы, в промежутке анод - мишень, приведет к ее взаимодействию с поверхностью мишени. Таким образом, второй цикл обработки мишени будет проходить, в основном, в процессе бомбардировки мишени ионами плазмы с энергией ионов 10² эВ.The first option is that the target has a positive potential, then the electron beam will pass through the transparent anode, they will additionally accelerate in the gap between the anode and the target and, when it hits the target, process its surface. This process will continue until the discharge plasma, which has a hemispherical expansion from the surface of the cathode to the anode, bridges the gap between the cathode and the anode and the electron current stops. Further expansion of the plasma, in the gap between the anode and the target, will lead to its interaction with the surface of the target. Thus, the second cycle of target processing will take place mainly during the bombardment of the target by plasma ions with an ion energy of 10 ² eV.

Вариант второй - мишень находится под потенциалом земли. В этом случае режим обработки мишени отличается от первого варианта только в части отсутствия дополнительного ускорения электронного пучка в промежутке анод - мишень. Это, очевидно, приведет к менее интенсивной обработке мишени электронным пучком, по отношению к первому варианту. Интенсивность обработки плазмой в данном случае остается прежней, поскольку плазма квазинейтральна.Option two - the target is under the potential of the earth. In this case, the target processing mode differs from the first option only in the part in the absence of additional electron beam acceleration in the anode – target gap. This, obviously, will lead to a less intensive processing of the target by the electron beam, in relation to the first option. The intensity of plasma treatment in this case remains the same, since the plasma is quasineutral.

Вариант третий - мишень имеет отрицательный потенциал. В этом режиме интенсивность обработки мишени электронным пучком будет зависеть от величины отрицательного потенциала на мишени. Степень воздействия пучка может варьироваться от некоторого максимального, соответствующего энергии электронов, которую они приобрели в ускоряющем промежутке катод - анод (это для случая, когда отрицательный потенциал мишени близок к нулю) и до полного прекращения электронной бомбардировки (случай равенства абсолютных значений потенциалов катода и мишени). В этом случае плазма, выходя за пределы анода, выполняет функции источника ионного пучка, который будет ускоряться в промежутке анод - мишень и интенсивность обработки мишени ионным пучком будет расти с увеличением отрицательного потенциала на мишени.The third option - the target has a negative potential. In this mode, the intensity of the processing of the target by the electron beam will depend on the magnitude of the negative potential on the target. The degree of influence of the beam can vary from a certain maximum, corresponding to the electron energy, which they acquired in the accelerating cathode – anode gap (this is for the case when the negative potential of the target is close to zero) and to the complete cessation of electron bombardment (the case of equal absolute values of the potentials of the cathode and the target ) In this case, the plasma, extending beyond the anode, serves as the source of the ion beam, which will accelerate in the gap between the anode and the target, and the intensity of the processing of the target by the ion beam will increase with increasing negative potential on the target.

На рисунке 1 представлена рабочая схема устройства, состоящего из вакуумной камеры (1), имеющая, как минимум три высоковольтных вакуумных ввода и систему вакуумной откачки до давления 10^-4-10^-8Торр. В вакуумной камере размещена вакуумная диодная система, состоящая из взрывоэмиссионного катода (2) и анода (3). За анодом (3), соосно с ним размещен ускоряющий электрод (4) с размещенной на нем мишенью (5).Figure 1 shows a working diagram of a device consisting of a vacuum chamber (1), which has at least three high-voltage vacuum inlets and a vacuum pumping system up to a pressure of 10 ^-4 -10 ^-8 Torr. The vacuum chamber contains a vacuum diode system consisting of an explosion-emission cathode (2) and an anode (3). Behind the anode (3), an accelerating electrode (4) with a target placed on it (5) is placed coaxially with it.

Анод (3) и ускоряющий электрод (4) составляют электродную систему, ускоряющую ионы из плазмы (6), которые используются для обработки мишени, закрепленной на ускоряющем электроде. На диодную систему катод (2) - анод (3) подается высоковольтный импульс напряжения амплитудой 10³-10⁴ В и длительностью 10^-9-10^-5 с.The anode (3) and the accelerating electrode (4) constitute the electrode system that accelerates plasma ions (6), which are used to process the target mounted on the accelerating electrode. A high voltage voltage pulse with an amplitude of 10 ³ -10 ⁴ V and a duration of 10 ^-9 -10 ^-5 s is supplied to the cathode (2) - anode (3) diode system.

Анод заземлен, на катоде отрицательный потенциал. В результате приложения импульса напряжения в диоде происходит импульсный вакуумный разряд с образованием у поверхности катода плотной плазмы (6). В результате полусферического разлета плазма подходит к аноду.The anode is grounded, negative potential at the cathode. As a result of the application of a voltage pulse, a pulsed vacuum discharge occurs in the diode with the formation of a dense plasma at the cathode surface (6). As a result of hemispherical expansion, the plasma approaches the anode.

В зависимости от установленного режима включения внешнего электрического поля (режимы рассмотрены ранее), плазма либо проходит сквозь анод и воздействует на поверхность мишени при нулевом ускоряющем напряжении U_i=0 в системе анод (3) - ускоряющий электрод (4), либо за анодом формируется ионный пучок из плазмы на мишень, при ионном ускоряющем напряжении U_i<0 (на ускоряющем электроде отрицательный потенциал).Depending on the established mode of switching on the external electric field (the modes discussed earlier), the plasma either passes through the anode and acts on the target surface at zero accelerating voltage U _i = 0 in the system anode (3) - an accelerating electrode (4), or is formed behind the anode an ion beam from the plasma to the target, with an ion accelerating voltage U _i <0 (negative potential at the accelerating electrode).

В случае, когда мишень расположена на аноде (3), возможна реализация режима обработки мишени плазмой без привлечения третьего электрода. При подаче импульсного напряжения на диод по указанной выше схеме происходит вакуумный разряд, в начальной стадии которого образуется прикатодная плазма с одновременным протеканием взрывной электронной эмиссии. Тогда процесс обработки мишени происходит в диодной системе при последовательном воздействии на ее поверхность сначала электронным пучком, сформированным в процессе взрывной электронной эмиссии, затем плазмой, имеющей значительно меньшую скорость разлета по отношению к электронному пучкуIn the case when the target is located on the anode (3), it is possible to implement the regime of processing the target with plasma without involving the third electrode. When a pulse voltage is applied to the diode according to the above scheme, a vacuum discharge occurs, in the initial stage of which a near-cathode plasma is formed with the simultaneous occurrence of explosive electron emission. Then, the process of processing the target occurs in the diode system with successive exposure to its surface, first by an electron beam formed in the process of explosive electron emission, then by a plasma having a significantly lower expansion velocity with respect to the electron beam

По конструкции предлагаемого устройства разработан и изготовлен действующий макет. Испытания макета показали его работоспособность и возможность прецизионного модифицирования поверхности материалов по структуре и элементному составу, что подтверждает соответствие предлагаемой полезной модели критерию "промышленная применимость".According to the design of the proposed device, a working model was developed and manufactured. Tests of the layout showed its efficiency and the ability to accurately modify the surface of materials in structure and elemental composition, which confirms the compliance of the proposed utility model with the criterion of "industrial applicability".

Claims

1. A device for modifying the surface of a solid body, consisting of a vacuum chamber containing a source of pulsed plasma, an electron source and a target for processing by plasma and an electron beam, characterized in that the source of the pulsed plasma is made in the form of a vacuum diode with an explosive emission cathode and a grid anode with linear dimensions of 10 ^-3 -10 ^-1 m, the electron source is formed as a cathode of an explosive, wherein the target cathode and an anode are mounted coaxially on a removable vacuum-insulated high voltage bushing with dist yaniem between the cathode and the anode 10 ^-3 -10 ^-2 m.

2. The device according to claim 1, characterized in that the anode is made in the form of a flat disk with a central through hole with a diameter of 10 ^-4 -10 ^{-2 -2} m coaxial to the cylindrical explosive emission cathode, and the target is located on the accelerating electrode located behind the anode, opposite the cathode.

3. The device according to claim 1, characterized in that the electron source is made in the form of a point cathode.

4. The device according to claim 1, characterized in that the electron source is a cathode made in the form of a rod of metal, a semiconductor or carbon material with a diameter of 10 ^-4 -10 ^-2 m

5. The device according to claim 1, characterized in that the anode is made in the form of a flat disk on which the target is located.