RU2277763C2 - Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma - Google Patents

Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma Download PDF

Info

Publication number
RU2277763C2
RU2277763C2 RU2004115825/06A RU2004115825A RU2277763C2 RU 2277763 C2 RU2277763 C2 RU 2277763C2 RU 2004115825/06 A RU2004115825/06 A RU 2004115825/06A RU 2004115825 A RU2004115825 A RU 2004115825A RU 2277763 C2 RU2277763 C2 RU 2277763C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
low
microwave
plasma
cylindrical resonator
discharge
Prior art date
Application number
RU2004115825/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004115825A (en
Inventor
Анатолий Александрович Сергеев (RU)
Анатолий Александрович Сергеев
Елена Петровна Зинина (RU)
Елена Петровна Зинина
Нина Федоровна Кислицына (RU)
Нина Федоровна Кислицына
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Контакт-Салют" - дочернее предприятие ФГУП "НПП "Контакт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Контакт-Салют" - дочернее предприятие ФГУП "НПП "Контакт" filed Critical Закрытое акционерное общество "Контакт-Салют" - дочернее предприятие ФГУП "НПП "Контакт"
Priority to RU2004115825/06A priority Critical patent/RU2277763C2/en
Publication of RU2004115825A publication Critical patent/RU2004115825A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2277763C2 publication Critical patent/RU2277763C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: plasma equipment.
SUBSTANCE: method of getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma at end part of treated electro-conducting object provided with protruding parts or sharp edges is based upon application of positive potential. Positive potential forms electro-static field around the object. Microwave electromagnetic field is applied onto electrostatic field at the level of microwave power being lower than required one for exciting and keeping electrode-free microwave frequency discharge but being sufficient for exciting and keeping stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma. Device for realization of the method has cylindrical resonator, microwave frequency power generator, excitation system, and unit for applying potential to treated electro-conducting object, vacuum system and gas leak-in system. Cylindrical resonator is excited by waveguide-slot aerial which is folded to form a ring. Positive potential is applied to object to be treated by means of holder. Holder is disposed in part of cylindrical resonator to be treated under vacuum.
EFFECT: improved wear resistance; improved adhesion of coatings applied before.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области методов и аппаратуры для создания низкотемпературной плазмы пониженного давления, формируемой вокруг оконечной части электропроводного объекта и может быть использовано для структурных изменений поверхности обрабатываемого объекта, увеличения его износостойкости, повышения адгезии покрытий, а также осаждения тонких пленок из газовой фазы.The invention relates to the field of methods and apparatus for creating a low-temperature low-pressure plasma formed around the end part of an electrically conductive object and can be used for structural changes in the surface of the treated object, increase its wear resistance, increase the adhesion of coatings, as well as the deposition of thin films from the gas phase.

Известны комбинированные разряды, возбуждаемые методом наложения сверхвысокочастотного электромагнитного поля на дуговой или коронный разряды при атмосферном давлении (Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., патент РФ №2166240, заявл. 27.04.99 г., МПК Н 05 Н 1/18 «Способ и устройство для получения неравновесной СВЧ-плазмы в газах высокого давления», Лысов Г.В. и др.), однако при пониженном давлении комбинированные разряды данного типа не могут быть реализованы из-за физической природы дугового или коронного разрядов.Known combined discharges excited by the method of applying a microwave electromagnetic field to an arc or corona discharges at atmospheric pressure (Batenin V.M., Klimovsky II, Lysov G.V., Troitsky V.N. Microwave plasma generators: Physics, technology , application. M: Energoatomizdat, 1988, RF patent No. 2166240, filed 04/27/99, IPC N 05 N 1/18 "Method and device for producing non-equilibrium microwave plasma in high pressure gases", Lysov G .V. Et al.), However, under reduced pressure, combined discharges of this type cannot be realized and due to the physical nature of the arc or corona discharges.

Кроме того, известны условия пробоя газа и возбуждения стационарного безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ. Савченко М.М. М.: Мир, 1969 г.), где основными процессами являются: ионизация, получаемая за счет столкновения с молекулами газа электронов, обладающих высокой скоростью колебательного движения; потери электронов в результате диффузии на стенки из разрядного промежутка, рекомбинации и прилипания к нейтральным молекулам. Пробой в газе наступает в определенной области пространства при условии, когда скорость образования электронов даже незначительно превышает скорость потерь, что приводит к резкому возрастанию их плотности. Минимальные пробойные поля в газах при непрерывном режиме генерации на частоте 2,8 ГГц соответствуют давлению 300 Па (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ. Савченко М.М. М.: Мир, 1969 г.), при импульсном на частоте 2,5 ГГц - давлению 3 Па (Райцын Д.Г., Электрическая прочность. М.: Советское радио, 1977 г.In addition, the conditions of gas breakdown and excitation of a stationary electrodeless microwave discharge of low-temperature low-pressure plasma are known (Mac-Donald A. Microwave breakdown in gases, translated from English by M. Savchenko M. M .: Mir, 1969), where The main processes are: ionization obtained due to collisions with electrons of gas molecules having a high speed of vibrational motion; loss of electrons as a result of diffusion onto walls from the discharge gap, recombination, and adherence to neutral molecules. Breakdown in a gas occurs in a certain region of space, provided that the rate of formation of electrons even slightly exceeds the rate of loss, which leads to a sharp increase in their density. The minimum breakdown fields in gases at a continuous generation mode at a frequency of 2.8 GHz correspond to a pressure of 300 Pa (Mac-Donald A. Microwave breakdown in gases, translated from English by M. Savchenko M. M .: Mir, 1969), when pulsed at a frequency of 2.5 GHz, to a pressure of 3 Pa (Raytsyn D.G., Electric strength. M: Soviet radio, 1977

Традиционные микроволновые плазменные технологии при пониженном давлении предполагают создание некоторого плазменного объема, который затем трансформируется и доставляется до обрабатываемого объекта. В таких системах зона плазмообразования и обрабатываемый объект могут быть значительно разнесены в пространстве, как, например, в установках ионного легирования. При этом большая часть потребляемой энергии затрачивается на создание плазмы и поддержание условий ее генерации, сепарации и доставки активных частиц с заданной энергией до объекта обработки с последующим сканированием пучка по поверхности. При обработке сложнопрофильных поверхностей такой способ формирования и доставки активных частиц плазмы к поверхности объекта не эффективен, т.к. выступающие элементы образуют тени при сканировании ионного пучка.Traditional microwave plasma technologies under reduced pressure involve the creation of a certain plasma volume, which is then transformed and delivered to the processed object. In such systems, the plasma formation zone and the treated object can be significantly spaced in space, such as, for example, in ion doping plants. In this case, most of the energy consumed is spent on creating plasma and maintaining the conditions for its generation, separation and delivery of active particles with a given energy to the processing object, followed by scanning the beam on the surface. When processing complex surfaces, this method of forming and delivering active plasma particles to the surface of the object is not effective, because protruding elements form shadows when scanning an ion beam.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить эффективную обработку оконечной части электропроводного объекта сложной формы (далее обрабатываемый объект) с целью увеличения их износостойкости, повышения адгезии ранее нанесенных покрытий, а также осаждения тонких пленок из газовой фазы при малых затратах энергии.The present invention allows for the efficient processing of the terminal part of an electrically conductive object of complex shape (hereinafter referred to as the object to be processed) in order to increase their wear resistance, increase the adhesion of previously applied coatings, and also to deposit thin films from the gas phase at low energy costs.

Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что на обрабатываемый объект, имеющий выступающие части или заостренные кромки, подается положительный потенциал, формирующий вокруг оконечной части объекта электростатическое поле, на которое накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания стационарного безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления.The essence of the invention lies in the fact that the processed object having protruding parts or pointed edges is supplied with a positive potential that forms an electrostatic field around the terminal part of the object, on which a microwave electromagnetic field is applied at a microwave power level lower than that necessary to excite and maintain a stationary electrodeless Microwave discharge of a low-temperature plasma of reduced pressure, but sufficient to excite and maintain a stationary combination low-temperature plasma discharge vannogo reduced pressure.

Хаотичное тепловое движение электронов, осциллирующих со сверхвысокой частотой электромагнитного поля, в электростатическом поле приобретает направленное движение к положительному электроду (обрабатываемому объекту). Движение электронов в электростатическом поле ведет к наращиванию, как энергии, так и плотности электронов. В этих условиях вблизи оконечной части обрабатываемого объекта баланс электронов восстанавливается, их энергия и плотность возрастают и становятся достаточными для неупругого взаимодействия с тяжелыми частицами газа, тем самым создаются условия для пробоя газа и у оконечной части обрабатываемого объекта появляется светящаяся область плазмы стационарного комбинированного разряда, показанная на фиг.1, 2.The chaotic thermal motion of electrons oscillating with an ultrahigh frequency of an electromagnetic field in an electrostatic field acquires directional motion toward a positive electrode (the object being processed). The movement of electrons in an electrostatic field leads to an increase in both energy and electron density. Under these conditions, the electron balance is restored near the end of the object being processed, their energy and density increase and become sufficient for inelastic interaction with heavy gas particles, thereby creating conditions for gas breakdown and a luminous region of a stationary combined discharge plasma appears at the end of the object being processed, shown figure 1, 2.

Несветящаяся часть пространства, в котором совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле, является объемным катодом и постоянно подпитывает плазму электронами и отрицательными ионами.The non-luminous part of the space, in which the microwave electromagnetic field and the electrostatic field are jointly present, is the volume cathode and constantly feeds the plasma with electrons and negative ions.

В области внешней границы плазмы 1 (фиг.3) электромагнитная волна сильно затухает в скин-слое в результате эффективной передачи энергии поля электронам, которые в свою очередь передают накопленную энергию через неупругие столкновения тяжелым частицам плазмы. Дальнейший дрейф электронов от скин-слоя во внутреннем объеме 2 осуществляется только под действием нарастающего положительного электростатического поля. В этой области электроны наряду с элементарными процессами способны создавать новые свободные электроны в результате объемной ионизации. В области 3 происходит резкое нарастание электростатического поля, в результате чего процесс объемной ионизации газа перерастает в лавинообразный. Здесь положительные ионы запираются и создают пространственный заряд, который дополнительно ускоряет электроны. Плотность заряженных частиц в этой области увеличивается, а среднее расстояние между ними уменьшается так, что начинает проявляться кулоновское взаимодействие, приводящее к возникновению амбиполярной диффузии, в результате которой электроны начинают тормозиться ионами, а ионы ускоряться электронами, что приводит к формированию локальных потоков электронов и ионов, направленных к поверхности обрабатываемого объекта. Такой поток плазмы оказывает наибольшее воздействие на выступающие части обрабатываемой поверхности, острые кромки, неровности поверхности, где концентрация силовых линий электростатического поля максимальная. Эта область плазмы видна на фиг.2 как яркая полоска.In the region of the outer boundary of plasma 1 (Fig. 3), the electromagnetic wave attenuates strongly in the skin layer as a result of the effective transfer of field energy to electrons, which in turn transfer the stored energy through inelastic collisions to heavy plasma particles. Further electron drift from the skin layer in the inner volume 2 is carried out only under the influence of an increasing positive electrostatic field. In this field, electrons along with elementary processes are able to create new free electrons as a result of volume ionization. In region 3, a sharp increase in the electrostatic field occurs, as a result of which the process of volume ionization of the gas develops into an avalanche-like one. Here, positive ions are locked and create a spatial charge, which additionally accelerates the electrons. The density of charged particles in this region increases, and the average distance between them decreases so that the Coulomb interaction begins to appear, leading to the emergence of ambipolar diffusion, as a result of which the electrons are slowed down by the ions, and the ions are accelerated by the electrons, which leads to the formation of local flows of electrons and ions directed to the surface of the processed object. Such a plasma flow has the greatest effect on the protruding parts of the treated surface, sharp edges, surface irregularities, where the concentration of the lines of force of the electrostatic field is maximum. This plasma region is visible in figure 2 as a bright strip.

Управление энергией частиц в потоке плазмы осуществляется путем изменения СВЧ мощности, расположения обрабатываемого объекта и значения положительного потенциала, подаваемого на обрабатываемый объект.Particle energy in the plasma stream is controlled by changing the microwave power, the location of the processed object and the value of the positive potential supplied to the processed object.

Указанный способ реализован в устройстве, содержащем цилиндрический резонатор, внутренний вакуумируемый объем которого ограничен радиопрозрачным цилиндром, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, источник питания генератора СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на объект обработки, вакуумную систему, систему напуска газа, причем цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной, свернутой в кольцо, а положительный потенциал подается на обрабатываемый объект посредством держателя, расположенного в вакуумируемой части цилиндрического резонатораThe specified method is implemented in a device containing a cylindrical resonator, the internal evacuated volume of which is limited by a radiolucent cylinder, an excitation system, a microwave energy generator, a microwave energy generator power supply, a potential supply unit to a processing object, a vacuum system, a gas inlet system, and a cylindrical resonator excited by a waveguide-slot antenna, rolled into a ring, and a positive potential is supplied to the processed object by means of a holder located in a vacuum Asti cylindrical resonator

Обрабатываемый объект 1, как показано на фиг.4, закрепляется в сменной цанге 2 держателя 3, расположенного в камере обработки 4. Часть поверхности обрабатываемого объекта и цанга 2 изолируются радиопрозрачным материалом 5, открытой остается поверхность, подлежащая обработке. Обрабатываемый объект и держатель определенным образом располагаются в камере обработки 4, которая откачивается с помощью вакуумной системы 6 до предельного давления и через систему газонапуска 7 в камере обработки устанавливается рабочее давление технологического газа, например азота. От блока подачи потенциала 8 через герметичный разъем 9, кабель с многослойными элементами защиты 10 и держатель 3 на обрабатываемый объект подается положительный потенциал, определенной величины. От генератора СВЧ-энергии 11 через волноводно-щелевую антенну, свернутую в кольцо, 12 в цилиндрическом резонаторе 13 возбуждаются сверхвысокочастотные электромагнитные колебания. При наложении электростатического и сверхвысокочастотного электромагнитного полей у оконечной части обрабатываемого объекта возникает комбинированный разряд пониженного давления 14.The processed object 1, as shown in Fig. 4, is fixed in a replaceable collet 2 of the holder 3 located in the processing chamber 4. A part of the surface of the processed object and the collet 2 are insulated with a transparent material 5, the surface to be processed remains open. The object to be processed and the holder are located in a certain way in the processing chamber 4, which is pumped out using the vacuum system 6 to the maximum pressure and the working pressure of the process gas, for example nitrogen, is established in the processing chamber through the gas inlet system 7. From the potential supply unit 8 through a sealed connector 9, a cable with multilayer protection elements 10 and a holder 3, a positive potential of a certain value is supplied to the object to be processed. From the microwave energy generator 11 through the waveguide-slot antenna, rolled into a ring 12 in a cylindrical resonator 13, microwave frequencies are excited. When applying electrostatic and microwave electromagnetic fields at the end of the workpiece, a combined discharge of reduced pressure 14 occurs.

В зависимости от энергии частиц плазмы можно проводить различные процессы: выглаживание поверхности, полимеризацию с образованием на поверхности плотноупакованной полимерной пленки, диффузионные процессы и легирование, что в совокупности ведет к структурным изменениям на поверхности и в приповерхностном слое обрабатываемого объекта. Результат - изменения микротвердости HV, омического сопротивления, шероховатости по Ra, структуры в объеме до 300 мкм, что приводит к повышению износостойкости поверхности обрабатываемого объекта.Depending on the energy of plasma particles, various processes can be carried out: smoothing the surface, polymerization with the formation of a close-packed polymer film on the surface, diffusion processes and doping, which together leads to structural changes on the surface and in the surface layer of the treated object. The result is changes in the microhardness HV, ohmic resistance, roughness in Ra, and structure in a volume of up to 300 μm, which leads to an increase in the wear resistance of the surface of the treated object.

Набор сменных цанг позволяет закрепить в держателе обрабатываемые объекты, например сверла, метчики, пальчиковые фрезы диаметром 0,6-15 мм.A set of interchangeable collets allows you to fix the workpiece in the holder, for example, drills, taps, finger mills with a diameter of 0.6-15 mm.

Пример:Example:

Цилиндрический резонатор диаметром 150 мм, длиной 320 мм возбуждается волноводно-щелевой антенной, которая представляет собой свернутый в кольцо волновод сечением 45×90 мм с прорезанными параллельно оси широкой стенки волновода восемью излучающими щелями размером 62×6 мм. На входе волноводно-щелевой антенны установлен рассекатель. В таком устройстве при подаче на сверло диаметром 0,6 мм потенциала 30 В, при рабочем давлении 300 Па, стационарный комбинированный разряд низкотемпературной плазмы возникает при подводимой СВЧ-мощности ~20 Вт (анодный ток магнетрона 10-12 мА) на частоте 2450 МГц.A cylindrical resonator with a diameter of 150 mm and a length of 320 mm is excited by a slot-waveguide antenna, which is a 45 × 90 mm section rolled up into a ring waveguide with eight radiating slits cut in parallel to the axis of the wide waveguide wall, 62 × 6 mm in size. At the input of the waveguide slot antenna, a divider is installed. In such a device, when a potential of 30 V is supplied to a drill with a diameter of 0.6 mm, at a working pressure of 300 Pa, a stationary combined discharge of low-temperature plasma occurs at a supplied microwave power of ~ 20 W (anode magnetron current 10-12 mA) at a frequency of 2450 MHz.

Claims (3)

1. Способ получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления у оконечной части обрабатываемого электропроводного объекта, имеющего выступающие части или заостренные кромки, заключающийся в том, что на объект подается положительный потенциал, формирующий вокруг объекта электростатическое поле, на которое накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления.1. The method of obtaining a stationary combined discharge of low-temperature plasma of low pressure at the end of the processed electrically conductive object having protruding parts or pointed edges, which consists in the fact that a positive potential is applied to the object, forming an electrostatic field around the object, on which a microwave electromagnetic field is applied at a level The microwave power is lower than that required to excite and maintain an electrodeless microwave discharge of a low-temperature plasma low pressure, but sufficient to excite and maintain a stationary combined discharge of low temperature low pressure plasma. 2. Способ по п.1, заключающийся в том, что источником электронов является объемный катод, возникающий в области, в которой совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле.2. The method according to claim 1, wherein the electron source is a bulk cathode arising in an area in which a microwave electromagnetic field and an electrostatic field are present together. 3. Устройство для получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, содержащее цилиндрический резонатор, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на обрабатываемый электропроводный объект, вакуумную систему и систему напуска газа, причем цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной, свернутой в кольцо, а положительный потенциал подается на обрабатываемый объект посредством держателя, расположенного в вакуумируемой части цилиндрического резонатора.3. A device for producing a stationary combined discharge of a low-temperature low-pressure plasma containing a cylindrical resonator, an excitation system, a microwave energy generator, a potential supply unit for a conductive object being processed, a vacuum system and a gas inlet system, the cylindrical resonator being excited by a slotted waveguide-antenna into the ring, and the positive potential is fed to the workpiece by means of a holder located in the evacuated part of the cylindrical resonator.
RU2004115825/06A 2004-05-24 2004-05-24 Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma RU2277763C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004115825/06A RU2277763C2 (en) 2004-05-24 2004-05-24 Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004115825/06A RU2277763C2 (en) 2004-05-24 2004-05-24 Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004115825A RU2004115825A (en) 2005-11-10
RU2277763C2 true RU2277763C2 (en) 2006-06-10

Family

ID=35864986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004115825/06A RU2277763C2 (en) 2004-05-24 2004-05-24 Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2277763C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004115825A (en) 2005-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0710056B1 (en) Radio-frequency plasma source
EP1554412B1 (en) Plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus
US6803585B2 (en) Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter
US5091049A (en) High density plasma deposition and etching apparatus
US5017835A (en) High-frequency ion source
US7932678B2 (en) Magnetic mirror plasma source and method using same
TWI756276B (en) Plasma treatment device with two microwave plasma sources coupled to one another, and method for operating a plasma treatment device of this kind
SE521904C2 (en) Hybrid Plasma Treatment Device
US6819053B2 (en) Hall effect ion source at high current density
JP2021502688A (en) Radiofrequency plasma ion source of linearized energy
RU2504042C2 (en) Method to process surface of at least one structural element by means of elementary sources of plasma by electronic cyclotron resonance
JPH0368773A (en) Dense plasma vapor deposition and etching device
JP2002542586A (en) Global atmospheric pressure plasma jet
EP1220272A1 (en) Beam source
CN108322983B (en) Floating electrode reinforced dielectric barrier discharge dispersion plasma jet generating device
US8698400B2 (en) Method for producing a plasma beam and plasma source
KR910005733B1 (en) Plasma treating method and apparatus
US5576593A (en) Apparatus for accelerating electrically charged particles
US6909086B2 (en) Neutral particle beam processing apparatus
JP2003073814A (en) Film forming apparatus
RU2277763C2 (en) Method and device for getting stationary combined discharge of low-pressure low-temperature plasma
KR100250547B1 (en) Arrangement for coating or etching substrates
CN106972239B (en) A kind of novel plasma body antenna and application method
Nasser et al. Potential oscillations in an electronegative plasma driven by an asymmetry RF discharge
JP3788632B2 (en) Continuous ion plating equipment

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070525