Способ работы плазменного источника ионов и плазменный источник ионов

Изобретение относится к области получения пучков ионов и может быть использовано для решения научных и прикладных задач, в частности использоваться в ускорителях или масс-спектрометрии. Также может найти применение для обработки поверхностей различных изделий в вакууме.

Изобретение может найти применение при обработки поверхности и нанесения покрытий и наноструктур на поверхности различных изделий в вакууме, а также может найти применение в машиностроении для поверхностной термообработки, напыления, резки и сварки.

Известен способ получения потока заряженных частиц и устройство для его осуществления [1].

Способ включает подачу газа в пространство, ионизацию газа электронами до образования плазмы, наложение на плазму электрического поля, выделение с помощью источников поля потока ионов и нейтрализацию потока ионов электронами, при этом положительно заряженные источники электрического поля размещают внутри плазменного образования, с целью упрощения генерации квазинейтрального потока заряженных частиц, отрицательно заряженные источники поля размещают так, чтобы они охватывали плазменное образование, инжектируют с помощью источников поля электроны вдоль силовых линий поля, регистрируют положение внешней границы поверхности плазменного образования и изменяют площадь поверхности положительно заряженных источников поля пропорционально площади поверхности плазменного образования, причем отношение площадей указанных поверхностей выбирают в диапазоне 10^-2 - 10^-4.

Данный способ был реализован с помощью устройства, которое содержит газоразрядную камеру, подключенную к отрицательному выводу источника напряжения, источник электронов, подключенный к источнику тока, систему напуска рабочего газа в камеру, формирующий электрод, выполненный в виде экранирующей сетки, и анод, размещенный внутри камеры и подключенный к положительному полюсу источника напряжения, причем отношение площади анода к площади внутренней поверхности камеры выбрано не более 10^-2, с целью упрощения конструкции при генерации квазинейтрального потока заряженных частиц, экранирующая сетка выполнена в виде источника электронов и снабжена двумя изолированными токовыводами, подключенными к источнику тока, при этом один из токовыводов подключен к отрицательному полюсу источника напряжения, а отношение площади анода к площади внутренней поверхности камеры выбрано не менее 10^-4.

Наиболее близким к заявленному техническому решению, прототипом, являются плазменный источник ионов и способ его работы [2].

Плазменный источник ионов содержит катодную камеру с газовводом, полый анод, образующий анодную камеру, сообщенную с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней, электростатическую систему извлечения ионов с электроизолированным эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры, и магнитную систему, предназначенную для создания в катодной и анодной камерах магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления, содержит поджигной электрод, установленный в катодной камере и электрически соединенный с полым анодом, при этом в выходном отверстии катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры, причем в дополнительном электроде выполнено осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода.

Способ работы плазменного источника ионов, при осуществлении которого предварительно вводят рабочее плазмообразующее вещество через газоввод, размещенный в полости катодной камеры плазменного источника ионов, и подают напряжение на подвижной электрод, установленный в полости катодной камеры, на стенки катодной камеры и на полый анод, образующий анодную камеру, которая сообщена с катодной камерой через выходное отверстие последней, зажигают тлеющий разряд, образуют ионы за счет бомбардировки атомов рабочего газа электронами, в полостях катодной и анодной камер создают магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления, при этом величины напряжений выбирают достаточными для предварительного зажигания электрического разряда в полости катодной камеры между ее стенками и поджигным электродом и для последующего зажигания электрического разряда между катодной и анодной камерами через отверстие, выполненное в дополнительном электроде, который электроизолирован от полого анода и от катодной камеры и установлен в выходном отверстии последней, причем диаметр d указанного отверстия выбирают не более 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода.

Недостатком [2] является невозможность получения потока ионов при низких давлениях (от 10^-2 Торр и ниже), что снижает чистоту процесса, а также сложность конструкции.

Технический результат в предлагаемых плазменном источнике ионов и способе его работы заключается в обеспечении получения потока ионов при давлении от 10^-2 Торр и ниже, а также в упрощении способа и конструкции устройства.

Технический результат в способе работы плазменного источника ионов, при осуществлении которого в газоразрядную камеру предварительно вводят рабочий газ через газоввод, создают магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления относительно анода и катода, подают напряжение на анод и на полый катод, зажигают тлеющий разряд, образуют ионы за счет бомбардировки атомов рабочего газа электронами, достигается тем, что при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере ниже Р=10^-2 Торр, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства, за счет организации сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более V=300 м/с.

Технический результат в устройстве плазменного источника ионов, содержащем откачную вакуумную систему, подключенную к газоразрядной камере, с размещенными в ней газовводом для рабочего газа, полым катодом, анодом, и магнитную систему, предназначенную для создания в разрядной камере магнитного поля с вектором индукции осевого направления, относительно анода и катода, достигается тем, что содержит конфузор, а газоввод выполнен как сверхзвуковое сопло, являющееся диффузором, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно против друг друга таким образом, что ось конфузора и диффузора находится в поперечном к оси анода и катода направлении на заданном расстоянии относительно анода и катода.

На фиг. 1 изображен плазменный источник ионов.

На фиг. 2 изображено устройство плазменного источника ионов в работе, где схематично показаны тлеющий разряд при поперечном потоке газа и поток ионов.

На фиг. 3 схематично изображено взаимное расположение анода и катода с диффузором и конфузором.

Плазменный источник ионов (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит газоразрядную камеру 1 с патрубками подачи 2 рабочего газа и откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 с размещенными в ней электродами - анодом 4 и полым катодом 5, источник питания постоянного тока 6, подключенный к аноду 4 и полому катоду 5, газоразрядная камера 1 имеет диффузор 7, выполненный в виде сверхзвукового сопла, и конфузор 8, причем диффузор 7 и конфузор 8 установлены в газоразрядной камере 1 соосно против друг друга. Электроды - анод 4 и полый катод 5 - размещены в газоразрядной камере 1 на расстоянии L=10÷400 мм друг от друга и более. Газоразрядная камера 1 выполнена любой формы, необходимой для реализации технологического процесса.

Патрубок подачи 2 рабочего газа соединен с диффузором 7, например, шлангом в газоразрядной камере 1. Патрубок подачи 2 рабочего газа соединен, например, шлангом вне газоразрядной камеры 1, через систему регулирования подачи и контроля расхода газа 9 с источником рабочего газа 10, например газовым баллоном.

Патрубки откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 соединен с диффузором 8, например, шлангом в газоразрядной камере 1.

Патрубки откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 соединен через каналы 11 с насосной системой 12, каналы 11 могут быть выполнены, например, в виде системы труб.

Системой изменения положения 13 изменяется положение диффузора 7 и конфузора 8 относительно межэлектродного пространства анода 4 и полого катода 5. Система изменения положения 13 может представлять собой конструкцию с закрепленными к рейке диффузором 7 и конфузором 8, а рейка, расположенная параллельно оси анода 4 и полого катода 5, перемещается за счет зубчатой передачи с шаговым двигателем.

Магнитная система 14 установлена соосно, снаружи полого катода 5.

На оси анода 4 и полого катода 5 вне межэлектродного зазора со стороны полого катода 5 устанавливается объект 15 на расстоянии, необходимом для проведения технологического процесса от полого катода 5.

Рассмотрим предлагаемый способ осуществления тлеющего разряда с помощью устройства, изображенного на фиг. 1-3.

Насосной системой 12 в газоразрядной камере 1 достигается давление от Р=10^-2 Торр и ниже. Включают источник питания постоянного тока 6 анода 4 и полого катода 5 в газоразрядной камере 1 для зажигания тлеющего разряда 16.

В межэлектродный зазор через диффузор 7 подают сверхзвуковой поток рабочего газа 17, например аргон.

При подаче сверхзвукового потока рабочего газа 17 концентрация пролетающих нейтральных частиц в межэлектродном пространстве увеличивается и тлеющий разряд 16 зажигается.

Рабочий газ в диффузор 7 подается из патрубка 2 через систему регулирования подачи и контроля расхода газа 9 и источник рабочего газа 10. Системой регулирования подачи и контроля расхода газа 9 можно обеспечить необходимый расход и скорость сверхзвукового потока рабочего газа 17 после диффузора 7.

Диффузор 7 и конфузор 8 расположены таким образом, чтобы сверхзвуковой потока рабочего газа 17 из диффузора 7 полностью попадал в конфузор 8. Расстояние между диффузором 7 и конфузором 8 ограничено размерами камеры 1. Сверхзвуковой поток рабочего газа 17 из конфузора 8 и газы из камеры 1 откачиваются через каналы 11 насосной системой 12. Системой изменения положения 13 изменяется положение потока относительно межэлектродного пространства.

Пройдя через ось анода 4 и полого катода 5, сверхзвуковой поток рабочего газа 17 попадает в конфузор 8, где происходит восстановление потока, и далее поток уходит через каналы 11 в насосную систему 12.

Технологический процесс осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: плотность тока разряда j=100÷500000 мА/м²; расстояние между электродами L=10÷400 мм; где j - плотность тока, мА/м², L - расстояние между электродами, мм, Р - давление в камере 1. Магнитное поле в осевом направлении с величиной индукции В=0,01÷15 мТл. Например, при давлении Р=0,005 Торр, при j=500 мА/м², L=50 мм. Через диффузор 7 в межэлектродный зазор подается поток рабочего газа 17, например аргон, при сверхзвуковой скорости, например V=400 м/с. Магнитное поле с величиной индукции поля В=8 мТл.

Системой изменения положения 13 изменяется положение сверхзвукового потока рабочего газа 17 относительно межэлектродного пространства и регулируется заданное расстояние относительно анода 4 La и катода 5 Lk (Фиг. 3). La и Lk могут принимать любое положительное значение, удовлетворяющее условию

Изменяя расход, скорость и состав потока рабочего газа 17, можно изменять вольтамперную характеристику тлеющего разряда 16. Также появляется возможность управления распределением внутренних характеристик тлеющего разряда 16.

Магнитная система 14, установленная соосно, снаружи полого катода 5, предназначена для создания в разрядной камере 1 магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления, относительно оси анода 4 и полого катода 5.

Магнитная система 14 при необходимости сжимает поток ионов 18 на поверхности объекта 15 вдоль оси анода 4 и полого катода 5 до площади с концентрацией энергии, необходимой для проведения технологического процесса

Под технологическим процессом может подразумеваться термообработка, резка, сварка, наплавление, распыление, а также, в частности, использоваться в ускорителях или масс-спектрометрии.

Поток ионов 18 образуют в сверхзвуковом потоке рабочего газа 17 в межэлектродном пространстве за счет бомбардировки электронами и затем беспрепятственно направляют к полому катоду 5, ускоряясь в электрическом поле полого катода 5. Пройдя сквозь внутреннюю часть полого катода 5, поток ионов 18 сжимается магнитным полем, образованным магнитной системой 14, и происходит обработка объекта 15.

Объект 15 может быть перемещен в газоразрядной камере 1 для изменения места контакта потока ионов 18 на объекте 15.

При подаче газового потока концентрация пролетающих нейтральных частиц в межэлектродном пространстве увеличивается и тлеющий разряд 16 зажигается.

В прикатодной области газоразрядной камеры 1 осуществляются основные процессы, обеспечивающие существование самостоятельного разряда. Под действием сильного электрического поля электроны ускоряются и, пройдя астоново пространство, приобретают энергию, достаточную для интенсивного возбуждения атомов. Здесь ионизация атомов пренебрежимо мала, так как энергия электронов значительно меньше потенциала ионизации (в среднем 10-15 эВ) частиц. Проходя область первого катодного свечения, электроны ускоряются до энергии, достаточной для ионизации атомов газа. Анодная область газоразрядной камеры 1 характеризуется анодным падением напряжения, плотностью тока на электроде и определенной протяженностью.

Одним из необходимых условий существования тлеющего разряда является наличие всех приэлектродных зон. Известно, что с уменьшением давления длина прикатодных зон увеличивается, так как эти зоны главным образом определяются количеством ионизирующих столкновений электронов с нейтральными частицами. Если в первом приближении принять разряд холодным, то можно найти критическое давление, при котором еще возможен классический тлеющий разряд. При длине разрядного промежутка порядка 10 см и числа свободных пробегов порядка 10 получаем критическое значение длины свободного пробега λ=1 см. Такое значение λ соответствует давлению

Таким образом, при давлениях порядка 10^-2 Торр существование тлеющего разряда затрудняется, а при 10^-3 Торр вовсе становится невозможным.

Достижение технического результата возможно только при создании разных концентраций нейтральных атомов в разных областях межэлектродного пространства, при котором в прикатодной области концентрация частиц газа должна быть как в случае с магнетронным устройством [3], а в других зонах тлеющего разряда 16 концентрация частиц газа должна быть достаточной, для того чтобы электрон испытал десятки столкновений.

Такие требования можно удовлетворить в том случае, если в межэлектродном пространстве создать сверхзвуковую, со скоростью выше 300 м/с, прокачку газа в направлении, перпендикулярном электрическому полю, а в остальной области межэлектродного пространства обеспечить давление от Р=10^-2 Торр и ниже.

Если принять, что длина катодных частей порядка 10λ, то все межэлектродное пространство состоит из прикатодных областей, необходимых для поддержания разряда. Этот разряд относится к нормальному тлеющему разряду с горизонтальной вольтамперной характеристикой.

При регулировке системой изменения положения 13 расположение диффузора 7 и конфузора 8 относительно межэлектродного пространства анода 4 и полого катода 5 также изменяются размеры приэлектродных зон. Приближая ось диффузора 7 и конфузора 8 к полому катоду 5, размеры прикатодных зон уменьшаются, а положительного столба тлеющего разряда 16 увеличиваются. Также изменяются распределение внутренних характеристик тлеющего разряда 16, таких как распределение потенциала, приведенная напряженность электрического поля E/N (Е - напряженность электрического поля, N - концентрация частиц), распределение концентраций электронов и ионов, температура газа.

Ускоренный в электрическом поле поток ионов 18 производит обработку объекта 15 при давления 10^-2 Торр и ниже. При давлениях 10^-2 Торр и ниже ионный поток 18 практически не сталкивается с остаточными газами газоразрядной камеры 1, не теряет энергию на столкновения и не изменяет направление и не снижает концентрацию энергии в месте контакта с объектом 15, что говорит о высокой чистоте и повышенной эффективности технологического процесса обработки.

В предлагаемом плазменном источнике ионов и способе его работы отсутствует электростатическая система извлечения ионов с электроизолированным эмиссионным электродом, что упрощает конструкцию.

Технический результат в предлагаемых плазменном источнике ионов и способе его работы заключается в обеспечении получения потока ионов при давлении от 10^-2 Торр и ниже, а также в упрощении способа и конструкции устройства.

При осуществлении плазменного источника ионов, при давлении от 10^-2 Торр и ниже, возможно распыление объекта или его термообработка в сверхчистой атмосфере, что позволит получать новые особо чистые материалы, наноструктуры и изделия, соединения материалов и покрытия с новыми свойствами.

Дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом являются высокая чистота и повышенная эффективность технологического процесса обработки.

Источники информации

1. Патент RU 1762732, МПК H05H 1/24, опубл. 09.01.1995.

2. Патент RU 2167466, МПК H01J 3/04, H01J 37/08, опубл.20.05.2001.

3. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. - К.: Аверс, 2008. с. 22.