SU1758086A1

SU1758086A1 - Устройство дл ионно-лучевой обработки деталей

Info

Publication number: SU1758086A1
Application number: SU904842715A
Authority: SU
Inventors: Сергей Владимирович Даныш; Алексей Николаевич Лобанов; Андрей Владимирович Обухов; Владимир Алексеевич Обухов
Original assignee: Московский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе; Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1992-08-30
Also published as: EP0463303A3; JPH04229940A; US5262611A; EP0463303A2

Abstract

Изобретение относитс к ионно-плаз- менной технологии, а более точно - к установкам дл ионно-лучевой обработки поверхности деталей в вакууме. Сущность изобретени заключена в следующем В об ласти закреплени детали в вакуумной камере создаетс зона торможени ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем вблизи обрабатываемой поверхности детали. Устройство дополнительно снабжаетс магнитом дл установки детали и экраном, охватывающим узел закреплени детали и образующим над обрабатываемой поверхностью окно дл прохождени ионного потока. Магнит выполн ет роль тормоз щего электрода с плавающим положительным потенциалом по отношению к экранирующему элементу, что обеспечивает услови дл существо- вани Е-сло , тормоз щего ионы Устройство позвол ет уменьшить нижний уровень энергии ионов до 30-50 эВ, что позвол ет осуществить новые технологии . 1 с.п.ф., 8 з.п.ф., 5 ил. сл с

Description

Изобретение относитс к ионно-плаз- менной технологии, а более точно к установ- кам дл ионно-лучевой обработки поверхностей деталей в вакууме.

Цель изобретени - создание установки дл ионно-лучевой обработки поверхности деталей, при которой осуществл етс воздействие интенсивных монокинетических пучков низкой энергии за счет торможени ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем, создаваемым вблизи обрабатываемой поверхности .

Предложенна установка дл ионно-лучевой обработки поверхности деталей, содержаща вакуумную камеру, в которой установлен источник ионного потока, ориентированный на обрабатываемую поверхность , согласно изобретению, снабжена системой торможени ионного потока с замкнутым электронным дрейфовым током, содержащей экранирующий элемент с отверстием дл прохождени ионного потока в зону обработки поверхности, и магнитную систему, выполненную в виде магнитного элемента, вектор намагниченности которого параллелен обрабатываемой поверхности закрепленной на нем детали,.при этом лини электронного дрейфового тока замкнута в направлении, по перечном направлению ионного потока.

Дл поштучной обработки деталей целесообразно , чтобы магнит был бы выполнен из магнито-твердого материала в форме

XJ

СЛ

о

00

о

пр моугольной призмы, при этом узлы его креплени в вакуумной камере были бы размещены по меньшей мере, на одном из его магнитных полюсов.

Дл групповой обработки деталей широким ионным потоком с целью повышени производительности процесса, при наличии магнитов болёё одного, каждый из них необходимо в ыполЛй ть кольцеобразной формы из магнито-тв ёр Його материала, при этом элементы должны быть установлены один относительно другого одноименными полюсами встречно.

Дл получени высоких степеней торможени ионов магнит целесообразно выполн ть из материала с высокой коэрцитивной силой, например из самарий- кобальтового сплава,

Сокращени частоты пробоев в системе торможени можно добитьс , если экранирующий элемент выполнить в виде корпуса коробчатой формы, внутри которого установлен , по меньшей мере, один магнит, при этом отверстие дл прохождени ионного потока должно быть выполнено в стенке, охватывающей обрабатываемую поверхность .

Воздействие магнитного пол системы торможени на работу источника ионного потока будет снижено, если экранирующий элемент будет выполнен из магнито-м гко- го ферромагнитного материала.

Дл повышени стабильности работы устройства оно может быть снабжено эмиттером электронов, установленным между источником ионного потока и экранирующим элементом.

Предпочтительно снабдить установку источником посто нного тока, положительный полюс которого был бы подключен к магниту, а отрицательный полюс - к экранирующему элементу. Это позвол ет регулировать степень торможени ионов.

Экранирующий элемент может быть заземлен , что стабилизирует работу установки .

Дл совмещени во времени процесса нанесени материала покрыти и химических реакций на поверхности обрабатываемых деталей, например, целесообразно снабдить установку, по крайней мере, одним источником потока атомов материалов покрыти , ориентированным на обрабатываемую поверхность.

Установка ионно-лучевой обработки деталей за счет оснащени ее системой торможени ионного потока позвол ет расширить технологические возможности ионно-лучевой технологии путем расширени рабочего диапазона по энергии ионов в сторону ее снижени .

На фиг.1 изображена схема установки дл ионно-плазменной обработки поверхности деталей; на фиг.2 - схема включени электродов системы торможени ионного потока при заземленном экранирующем элементе; на фиг.З - система торможени ионного потока при обработке индивиду0 альных деталей с экранирующим элементом

в виде корпуса; на фиг.4 и 5 - варианты

выполнени системы торможени ионного

потока с магнитами кольцеобразной формы.

Установка ионно-лучевой обработки де5 талей содержит размещенные в вакуумной камере 1 (фиг.1) источник 2 ионного потока и систему 3 торможени ионного потока с установленными в ней детал ми 4. Система содержит экранирующий элемент 5, внутри

0 которого установлена магнитна система с магнитами 6, на которых закреплены детали 4. В стенке экранирующего элемента 5, обращенной к обрабатываемой поверхности деталей 4, выполнено отверстие 7 дл про5 хождени ионного потока. Установка может содержать источник 8 посто нного тока, положительный полюс которого подключен к магниту б, а отрицательный полюс - к экрану 5. При отсутствии источника 8 тормоз 0 щий электрод 6 будет под положительным по отношению к экранирующему электроду 5 потенциалом.

Кроме того, установка может быть снабжена эмиттером 9 электронов, установлен5 ным между источником 2 ионного потока и экранирующим элементом 5, а при использовании установки дл нанесени на обрабатываемую поверхность покрыти в нее введены источники 10 потока атомов мате0 риалов покрыти , например, испарительного типа.

Магнит 6 в роли тормоз щего электрода может быть выполнен из магнито-твердо- го материала в виде параллелепипеда. При

5 этом узлы креплени 11 размещены на его боковых поверхност х, вл ющихс магнитными полюсами, а лини 12 электронного дрейфового тока ортогональна вектору В индукции магнитного пол элемента и па0 раллельна обрабатываемой поверхности, замкнута. Условие замкнутости линии 12 электронного дрейфового тока соблюдаетс и при выполнении магнитов 6 кольцеобразной формы из магнито-твердого материала,

5 которые установлены один относительно другого одноименными магнитными полюсами встречно. Тормоз щие электроды б могут быть выполнены или из материала с высокой коэрцитивной силой, например из самарий-кобальтового сплава (SmCoe), или

из диэлектрического магнитного материала, при этом он заключаетс в кожух 13 из электропроводного немагнитного материала.

Устройство, например, при ионном травлении кристаллов арсенида галли работает следующим образом.

При достижении вакуума Па включаетс источник 2 ионного потока. Обычный уровень параметров потоков известных ионных источников: энерги ионов eU0 200 эВ, плотность ионного тока 1-2 мА/см ,

Однако дл обработки кристаллов арсенида галли требуетс энерги ионов ниже 40 эВ при той же плотности ионного потока. Дл этого на магнит 6 подаетс относительно экранирующего элемента 5 по- ложительный потенциал1 величиной ид(11о-40) В. В этом случае в области обрабатываемых деталей 4 возникают услови дл существований электрического сло (Е- сло ), в котором поддерживаетс электрическое поле, тормоз щее ионы.

Как следует из физики разр да этого типа, поддержание электрического пол не вызывает большого электронного потока на обрабатываемую деталь 4 в том случае, если выполн етс условие замыкани линии 12 дрейфового электронного тока

fExBi

-о-1,где пе - концентраци электронов, а

В

квадратные скобки выражают векторное произведение. Линии 12 этого тока совпадают с лини ми, параллельными обрабатываемой поверхности и перпендикул рными вектору В. Направление скрещенных векторов и В, а также ортогонального им вектора показано на фиг.З, 4, 5.

Предложенные геометрии магнитных элементов обеспечивают услови замыкани линии 12 электронного дрейфового тока . Как показывают эксперименты, при уровне магнитной индукции В 0;05 Тл электронный ток может быть равен или даже меньше ионного при степени торможени ионов Ufl/U0 0,6-0,8. Это обеспечивает обработку деталей 4 потоком ионов с энергией , составл ющей лишь 20-40% начальной , с которой они покидают источник 2 ионов.

В предложенных конструкци х уровень магнитной индукции может быть получен дл размеров обрабатываемых деталей 4 50 мм, при использовании магнитных элементов из материала с большой коэрцитивной силой, в частности из сплавов редкоземельных металлов, например самарий-кобальта. Использование подобного магнитного материала исключает эффект размагничивани во внешнем магнитном поле, что важно дл получени магнитного пол с требуемой топографией. Геометрические размеры L, H, h, AS определ ютс исход из размеров деталей 4, а также из услови получени оптимальной топографии магнитного пол . Так, по мере

0Д5С

снижени величины -тт будет ухудшатьс

однородность магнитного пол над поверхностью магнита б, что может приводить к неоднородности обработки и т.п.

5 Магнитна система может быть набрана из призматических магнитов 6, как это изображено на фиг.З, в том числе и из диэлектрического материала. В последнем случае дл включени тормоз щего электрода 6 в

0 цепь магнитные элементы необходимо заключить в кожух 14 из электропроводного материала. Важным усовершенствованием установки вл етс введение эмиттера 9 электронов, которое позвол ет контролиро5 вать баланс электронов в ионном потоке и потенциал вторичной плазмы, наведенной ионным пучком. Это позвол ет ослабить эффект запирани пучка объемным зар дом ионов и при прочих равных услови х повы0 сить плотность ионного тока в зоне обработ- ки и стабильность работы.

Дл реализации группы технологических процессов, св занных с получением плотных металлических слоев на диэлектри5 ческой подложке путем осаждени потока атомов металла при одновременной бомбардировке подложки потоком ионов низкой энергии необходимо ввести в установку источники 10 потока атомов материалов по0 крыти одного из известных типов, например испарительного типа. Как показали эксперименты, стабильность работы системы источник 2 потока ионов - система 3 торможени ионов зависит от баланса элек5 тронов в пучке, большую роль в котором играют вторичные электроны, образующиес в объеме потока и на стенках вакуумной камеры 1. Скорость их образовани зависит от рода рабочего газа и его давлени в кзме0 ре 1. В зависимости от указанных условий может быть целесообразна как схема с плавающим потенциалом экранирующего электрода 5, при котором поток электронов из объема на электрод 5 автоматически опре5 дел етс величиной ионного потока на этот же электрод 5, так и с заземленным экранирующим электродом 5 (фиг.2), когда поток электронов обусловлен не только стационарными , но и стохастическими услови ми баланса.,

Дл повышени стабильности работы установки путем снижени веро тности пробоев в системе 3 торможени целесообразно экранирующий элемент 5 выполнить в виде корпуса коробчатой формы. В этом случае внешн , возбуждаема потоком ионов в среде остаточного газа плазма не проникает в область креплени тормоз щих электродов 6.

Изобретение позвол ет расширить технологические возможности установки ион- но-плазменной обработки поверхности деталей за счет снижени нижнего уровн энергии ионов до 30-50 эВ, что позвол ет осуществить новые технологии.

Claims

1. Устройство дл ионно-лучевой обработки деталей, содержащее размещенные в вакуумной камере источник ионного потока, ориентированный на обрабатываемую поверхность детали, и узел креплени детали, электроизолированный от камеры, отличающеес тем, что, с целью расширени технологических возможностей устройства за счет, снижени энергии ионного потока на обрабатываемой поверхности при сохранении его плотности, оно снабжено магнитной системой, состо щей по меньшей мере из одного посто нного магнита дл установки на нем детали, формирующим замкнутое на обрабатываемой поверхности магнитное поле, вектор (М) намагниченности которого параллелен этой поверхности, а также снабжено экранирующим элементом, электрически изолированным от камеры и узла кр-еплени и охватывающим узел креплени с деталью с образованием окна над обрабатываемой поверхностью детали.

2 Устройство поп.1,отличающее- с тем, что, магнит выполнен из магнито- твердого материала, преимущественно из самарий-кобальта SmCoe.

3. Устройство по п.1. о т л и ч а ю щ е ес тем, что магнит выполнен в форме пр моугольной призмы, причем узел креплени детали в камере размещен по меньшей мере на одном из его магнитных полюсов.

4.Устройство по п.2, отличающее- с тем, что с целью повышени производительности за счет групповой обработки деталей , каждый магнит выполнен

кольцеобразной формы, а два любых соседних встречно намагничены.

5.Устройство поп.1,отличающее- с тем, что экранирующий элемент выполнен коробчатой формы.

6. Устройство поп.1,отличающее- с тем, что оно снабжено эмиттером электронов , установленным между источником ионного потока и экранирующим электродом .

7. Устройство поп.1,отличающее- с тем, что оно снабжено источником посто нного напр жени , положительна клемма которого подключена к магнитной системе, а отрицательна - к экранирующему элементу.

8. Устройство по п.7, отличающее- с тем, что экранирующий элемент заземлен ,

9. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с тем, что оно снабжено по меньшей мере одним дополнительным источником ионного потока, ориентированным на обрабатываемую поверхность.

п

Ю

чг& $

Ю

S, /7

raurSireirSiral

г I I I I II 11 11I . I

J/

(-/1

3

(-/1

Фиг2.

13

Фиг.З

Е

Фив 5