RU158216U1 - Источник быстрых нейтральных частиц - Google Patents

Abstract

Источник быстрых нейтральных частиц, состоящий из основного катода, выполненного в виде набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и имеющего ввод, предназначенный для подключения к отрицательному полюсу источника питания, дополнительного полого катода, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом, и имеющего ввод для подключения к отрицательному полюсу другого источника электрического питания, а также отверстие, предназначенное для напуска рабочего газа, при этом основной и дополнительный катоды расположены таким образом, что образуют квазизамкнутый объем анода, имеющего ввод для заземления, и газораспределителя, имеющего вид пластины с отверстиями, отличающийся тем, что газораспределитель делит квазизамкнутый объем, образованный основным и дополнительным катодами, на две части, при этом в объем между дополнительным катодом и газораспределителем введен электрод-ионизатор, имеющий ввод для заземления.

Description

Полезная модель относится к области генерации потоков нейтральных частиц, предназначенных для очистки и подготовки поверхностей различного назначения к нанесению покрытий.

В настоящее время использование потоков быстрых нейтральных частиц является перспективным методом обработки поверхностей диэлектриков и полупроводников. В отличие от обработки ионными пучками, при использование пучков быстрых нейтральных молекул позволяет производить обработку диэлектриков и широкозонных полупроводников без компенсации тока пучка, поскольку не происходит возникновения потенциала на обрабатываемой поверхности, замедляющего дальнейшую обработку. Кроме того, при обработке быстрыми нейтральными частицами не происходит деградации поверхности из-за зарядовых эффектов.

Для формирования высококачественных структур необходимо производить обработку поверхности при низком давлении в технологической камере. Кроме того, снижение давления увеличивает расстояние, на котором происходит термализация потока частиц, что позволяет увеличить расстояние между источником быстрых нейтральных частиц и обрабатываемой поверхностью.

Известен источник быстрых нейтральных частиц [Григорьев С.Н., Метель А.С., Мельник Ю.А., Панин В.В. Патент на изобретение №2373603 Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 20 ноября 2009 года], в котором генерация плазмы происходит в объеме полого катода, экстракция ионов с поверхности плазмы и их ускорение происходит с помощью эмиссионной сетки. Кроме того, источник содержит соленоид, обхватывающий катод, создающий магнитное поле, перпендикулярное плоскости эмиссионной сетки, служащий для увеличения отношения тока пучка к разрядному току. Недостатками данного источника являются сложность конструкции, требующая использования трех источников питания (питание разряда, подача напряжения на эмиссионную сетку и питание соленоида), малое отношение тока пучка к разрядному току (20-30%). Для нейтрализации ионов в данном источнике используются процесс резонансной перезарядки ионов при пролете от эмиссионной сетки до обрабатываемой поверхности. Резонансная перезарядка на молекулах нейтрального газа является случайным процессом, при этом средняя длина пробега ионов относительно данного процесса обратно пропорциональна давлению в области перезарядки. Кроме того, ввиду случайности процесса, он обеспечивает перезарядку лишь части ионов из потока частиц.

Например, при энергии ионов 2 кэВ и давлении в области перезарядки 1 Па средняя длина пробега ионов относительно процесса резонансной перезарядки составляет 3,34 см. В этом случае, при длине области нейтрализации 20 см, только около 0,25% ионов из общего числа не пройдут перезарядку, что является допустимой величиной в большинстве случаев. Однако, при уменьшении давления до 0,1 Па, длина свободного пробега возрастает до 33,4 см, и для перезарядки 95% ионов необходима область нейтрализации протяженностью более метра. Это обстоятельство затрудняет использование данного источника быстрых нейтралов при низком давлении.

Известен источник быстрых нейтральных частиц [Маишев Ю.П., Шевчук С.Л., Терентьев Ю.П., Кудря В.П. Патент на изобретение №2468465 Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 27 ноября 2012 года], в котором отсутствие ионов в потоке частиц достигается за счет использования сепаратора специальной формы, извлекающего ионы, не прошедшие перезарядку, из потока частиц. Недостатком данного источника является необходимость использования дополнительного источника питания для подачи напряжения на электроды сепаратора.

Общей чертой рассмотренных источников быстрых нейтральных частиц является то, что нейтрализация ускоренных ионов происходит в эквипотенциальном пространстве. Из-за этого перезарядившиеся и не перезарядившиеся ионы продолжают лететь вместе с равной энергией, для их разделения необходимы дополнительные средства, такие как сепаратор, усложняющие конструкцию.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является источник быстрых нейтральных частиц [Бабинов Н.А., Барченко В.Т., Лисенков А.А., Быстрое Ю.А. Патент на полезную модель №148499. Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 10 декабря 2014 года]. Данный источник состоит из трех изолированных электродов: анода, основного катода, представляющего собой набор плоскопараллельных пластин, и дополнительного полого катода, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом. При этом основной и дополнительный катоды расположены таким образом, что между ними образуется квазизамкнутый объем.

Анод источника электрически соединяется со стенками камеры, на основной и дополнительный катоды подается отрицательное напряжение с помощью двух различных источников питания. Для уменьшения распыления дополнительного катода, на него подается меньшее напряжение.

После зажигания газового разряда, газоразрядная плазма концентрируется в квазизамкнутом объеме между основным и дополнительным катодами. За счет многократных осцилляций электронов в квазизамкнутом объеме между катодами при небольшой апертуре потерь происходит значительное увеличение средней длины пробега быстрых катодных электронов в плазме, уменьшается доля энергии, уносимой ими из области генерации плазмы. Это позволяет снизить напряжение горения газового разряда при неизменном давлении, или же снизить давление в области горения разряда при том же напряжении на нем.

Образованные в плазме ионы ускоряются в катодном падении напряжения и перезаряжаются на поверхности катода и вблизи него. Данный источник быстрых нейтральных частиц обеспечивает отсутствие в выходном потоке частиц ионов с энергией большей энергии, определяемой анодным падением напряжения.

В дополнительном катоде имеется отверстие, через которое осуществляется напуск рабочего газа. За счет напуска газа в квазизамкнутый объем, при условии непрерывной откачки газа из внешнего объема, возможно создание разности давлений между областью горения газового разряда и внешним объемом источника, что позволяет снизить его минимальное рабочее давление. Однако пластинчатый катод источника обладает достаточно высокой газовой проводимостью, из-за чего перепад давлений не очень значителен, авторами приведены сведения, что давление в газоразрядном объеме источника приблизительно в 2.5 раза превышает давление вне источника. Из-за этого, при давлении в технологической камере 2 Па напряжение горения газового разряда в источнике составляет около 1500 В, что ограничивает его применение при меньшем давлении, поскольку требуемое напряжение источника питания становится слишком большим.

Главными недостатками данного источника быстрых нейтральных частиц являются: высокое минимальное рабочее давление и небольшой перепад давления между технологической камерой и областью горения газового разряда.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является расширение диапазона рабочих давлений источника быстрых нейтральных частиц.

Техническим результатом является: снижение минимального рабочего давления источника.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в источнике быстрых нейтральных частиц, состоящем из основного катода, выполненного в виде набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и имеющего ввод, предназначенный для подключения к отрицательному полюсу источника питания, дополнительного полого катода, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом и имеющего ввод для подключения к отрицательному полюсу другого источника электрического питания, а также отверстие, предназначенное для напуска рабочего газа, при этом основной и дополнительный катоды расположены таким образом, что образуют квазизамкнутый объем, анода, имеющего ввод для заземления и газораспределителя, имеющего вид пластины с отверстиями, газораспределитель делит квазизамкнутый объем, образованный основным и дополнительным катодами, на две части, при этом в объем между дополнительным катодом и газораспределителем введен вспомогательный электрод, имеющий ввод для подключения к положительному полюсу источника питания.

В отличие от известных источников быстрых нейтральных частиц, предлагаемый источник обладает совокупностью следующих характеристик:

- в выходном потоке частиц отсутствуют ионы с энергией, превышающей энергию, определяемую анодным падением напряжения;

- возможна реализация перепада давления между технологической камерой и областью горения газового разряда при условии постоянной откачки;

- снижение минимального рабочего давления источника реализовано за счет предварительной ионизации рабочего газа во вспомогательном газовом разряде.

Полезная модель поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена схема источника быстрых нейтральных частиц, а также фиг. 2, на которой приведены вольтамперные характеристики источника быстрых нейтральных частиц при различных давлениях в технологической камере.

Предлагаемый источник быстрых нейтральных частиц состоит из четырех электродов: анода 1, основного катода 2, дополнительного катода 3 и электрода-ионизатора 4. Основной катод 2 представляет собой набор параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга. Дополнительный катод 3 имеет полость, одна из сторон которой по размерам совпадает с основным катодом. Полость дополнительного катода 3 разделена на две части газораспределительной пластиной 5, представляющей собой металлическую пластину с отверстиями малого диаметра. В полость 6, образованную дополнительным катодом 3 и газораспределительной пластиной 4 введен электрод-ионизатор 5, который отделен от дополнительного катода 3 с помощью изолятора. Основной 2 и дополнительный 3 катоды соединены между собой с помощью изоляторов таким образом, что образуют квазизамкнутый объем 7. Основной 2 и дополнительный 3 катоды имеют вводы 8 и 9 для подключения к источникам электрического питания, анод 1 и электрод-ионизатор 4 имеют вводы 10 и 11 для заземления.

Устройство предназначено для установки в вакуумную камеру и работает следующим образом. Анод 1 и электрод-ионизатор 5 заземляются, на основной катод 2 подается отрицательное напряжение источника питания, а на дополнительный катод 3 подается отрицательное напряжение с другого источника питание. Возможность подать на дополнительный катод 3 меньшее напряжение, чем на основной катод 2 позволяет уменьшить распыление дополнительного катода 3.

Напуск рабочего газа осуществляется в полость 6, образованную дополнительным катодом 3 и газораспределительной пластиной 5 через отверстие напуска 12. Поскольку газовое сопротивление основного пластинчатого катода 2 достаточно велико, а сопротивление газораспределительной пластины 5 еще значительно выше это приводит к тому, что в условиях непрерывной откачки газа из технологической камеры устанавливается следующее соотношение давлений: p₁₃<p₇<<P₆, где P₁₃ - давление в вакуумной камере 13; p₇ - давление в квазизамкнутом объеме 7; p₆ - давление в полости 6, образованной дополнительным катодом 3 и газораспределительной пластиной 5. Благодаря этому, даже при низком давлении в вакуумной камере 13, давление в полости 6 достаточно велико для горения тлеющего разряда в условиях правой ветви кривой Пашена.

После подачи напряжения и напуска рабочего газа загораются два газовых разряда: основной разряд между анодом 1 и катодами 2 и 3, а также вспомогательный между электродом-ионизатором 4 и дополнительным катодом 3.

Вспомогательный газовый разряд горит в полости 6, образованной дополнительным катодом 3 и газораспределительной пластиной 5. За счет высокого давления в этой области, сравнительно небольшого напряжения около 300-500 В, подаваемого между дополнительным катодом 3 и электродом-ионизатором 4, оказывается достаточным для устойчивого горения разряда. За счет горения вспомогательного разряда рабочий газ, проходящий через полость 6, проходит предварительную ионизацию до поступления его в область основного разряда 7.

Плазма основного газового разряда заполняет объем 7, образованный основным 2 и дополнительным 3 катодами, а также газораспределительной пластиной 5. За счет осцилляций электронов в квазизамкнутом объеме 4, существенно увеличивается их средняя длина пробега в газоразрядной области, что приводит к уменьшению доли уносимой из разряда энергии и снижению напряжения горения разряда.

Основной разряд в области 4 является несамостоятельным, он поддерживается не только за счет приложенной разности потенциалов между анодом 1 и основным катодом 2, но и за счет ионизации газа, происходящей в плазме вспомогательного газового разряда. Помимо этого, определенную роль играет эмиссия заряженных частиц из плазмы вспомогательного разряда через отверстия в газораспределительной пластине 5. За счет этих процессов, обеспечиваемых горением вспомогательного разряда, существенно снижается напряжение горения основного разряда, благодаря чему возможно поддержание разряда при более низком давлении и что приводит к техническому результату полезной модели: снижению рабочего давления источника быстрых нейтральных частиц.

Генерирующиеся в плазме основного газового разряда ионы эмитируют с поверхности плазмы и ускоряются в катодном падении потенциала. Их нейтрализация происходит в результате двух процессов: при резонансной перезарядке на ионах газа, а также за счет отражения от поверхности катодных пластин с нейтрализацией.

За счет того, что нейтрализация ионов происходит в потенциальной яме, образованной возле катода 2, ионы, не перезарядившиеся в области катодного падения напряжения, при выходе из нее имеют низкие энергии, не превышающие величины, определяемой анодным падением напряжения. Таким образом, в выходном потоке частиц источника отсутствуют быстрые ионы.

Эффективность предварительной ионизации газа иллюстрируется графиком на Фиг. 2, который показывает вольтамперную характеристику разряда при давлениях 3, 2 и 1 Па. Видно, что разряд устойчиво горит при давлении до 1 Па. При этом, поскольку эффективность нейтрализации ионов при отражении от пластин катода не зависит от давления, минимальное рабочее давление источника будет определяться давлением поддержания газового разряда. Таким образом, можно сказать, что рабочее давление источника быстрых нейтральны частиц снизилось до величины около 1 Па.

Claims (1)

1. Источник быстрых нейтральных частиц, состоящий из основного катода, выполненного в виде набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и имеющего ввод, предназначенный для подключения к отрицательному полюсу источника питания, дополнительного полого катода, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом, и имеющего ввод для подключения к отрицательному полюсу другого источника электрического питания, а также отверстие, предназначенное для напуска рабочего газа, при этом основной и дополнительный катоды расположены таким образом, что образуют квазизамкнутый объем анода, имеющего ввод для заземления, и газораспределителя, имеющего вид пластины с отверстиями, отличающийся тем, что газораспределитель делит квазизамкнутый объем, образованный основным и дополнительным катодами, на две части, при этом в объем между дополнительным катодом и газораспределителем введен электрод-ионизатор, имеющий ввод для заземления.

   

Images