СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ Российский патент 1997 года по МПК C23C14/46 H01J27/04 

Изобретение относится к технологии обработки изделий ионами в вакууме с целью их очистки и повышения адгезии наносимых покрытий с целью травления и ионной фрезеровки изделий, полировки поверхности, распыления любых материалов или с целью упрочнения и модификации поверхности имплантацией ионов.

Известен способ ионной обработки изделий (Дороднов А.М. Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. Журнал технической физики, т. 51, N 3, 1981, с. 504 524), включающий погружение изделий в металлическую плазму, генерируемую в вакуумной камере с помощью электродуговых испарителей, и подачу на изделия отрицательного напряжения, превышающего критическую величину, при которой скорость распыления бомбардирующими поверхность ионами металла из окружающей изделие плазмы превышает скорость конденсации металла на его поверхности. Недостатками способа являются неизбежные дополнительные затраты энергии на снятие с поверхности конденсирующегося металла, высокое (1 кВ) напряжение на изделиях, искровые явления, приводящие к эрозии и снижению класса чистоты обработки поверхности, а также резкая неоднородность плотности ионного тока на поверхности изделий сложной геометрии.

Плотность тока на режущих кромках инструмента в десятки раз превышает плотность тока в пазах и углублениях. В результате ионного распыления режущие кромки притупляются и перегреваются, в то время как очистка пазов осуществляется недостаточно эффективно и в ряде случаев сопровождается конденсацией металла на неочищенных поверхностях. Это снижает адгезию покрытий в пазах и качество выпускаемой продукции.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ ионной обработки изделий (Ивановский Г.Ф. Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М. Радио и связь, 1986, с. 207, рис. 5.4, прототип), включающий формирование в вакуумной камере с помощью источника ионов ионного пучка большого сечения, размещение изделий в камере напротив эмиссионной поверхности (эмиссионной сетки, выходной апертуры и пр.) источников ионов и компенсацию положительного объемного заряда пучка электронами с помощью расположенного в камере термоэмиссионного нейтрализатора. Недостатком способа является необходимость нейтрализации пучка с использованием накаливаемых катодов, имеющих ограниченный срок службы (десятки часов при работе в инертных газах) и исключающих обработку изделий ионами химически активных газов.

Целью изобретения является обработка изделий ионами любых, в том числе химически активных, газов, увеличение срока службы и упрощение конструкции используемого для обработки оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что при способе ионной обработки изделий, включающем формирование в вакуумной камере с помощью источника ионов ионного пучка и размещение изделий в камере напротив эмиссионной поверхности источника ионов, изделия размещаются от эмиссионной поверхности источника ионов на расстоянии L, превышающем длину свободного пробега ионов до их перезарядки, т.е.

λ_n(см)=1/nσ_n=T/273 σ_n•3,54•10¹⁶p<L, где
где n плотность газа в камере, см^-3,
σ_n cечение перезарядки, см²,
Т температура газа, град. Кельвина,
р давление газа в камере, мм рт.ст.

В результате перезарядки пучок положительно заряженных ионов трансформируется в пучок нейтральных атомов без заметных изменений направления и величины скорости частиц, беспрепятственно достигающих поверхности любого материала, имеющей любой потенциал. При этом отсутствует термоэмиссионный нейтрализатор. В результате возможна обработка изделий быстрыми нейтральными атомами химически активных газов. Исключение из состава оборудования нейтрализатора с источниками его питания повышает срок службы и упрощает конструкцию оборудования.

Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными соответствует критериям охраноспособности, поскольку совокупность заявленных признаков, отраженная в формуле изобретения, не была обнаружена в данной и смежных областях науки и техники для решения поставленной задачи. Необходимо также отметить, что достигаемый результат может быть реализован лишь всей совокупностью заявленных признаков, т.к. указанный результат не является простым суммированием свойств отдельных признаков, поскольку не проявляется при использовании любого из них в отдельности в известных решениях.

Способ осуществляется следующим образом. При столкновении влетающих в камеру через эмиссионную поверхность ионов с молекулами газа в камере последние отдают ионам по электрону, превращаясь в медленные тепловые ионы и формируя прилегающий к эмиссионной поверхности источника ионов слой положительного объемного заряда с шириной порядка длины свободного пробега λ_n ионов по отношению к перезарядке. Образующиеся в результате бомбардировки тепловыми ионами конструктивных элементов источника ионов и камеры вторичные электроны втягиваются в поле и осциллируют внутри электростатической ловушки положительного объемного заряда, нейтрализуя последний. В результате синтезируется плазма, потенциал которой превышает, как показал эксперимент, потенциал вакуумной камеры не более чем на несколько десятков вольт. Тепловые ионы вытягиваются указанной разностью потенциалов из синтезированной плазмы на камеру и конструктивные элементы источников ионов, а образовавшиеся в результате перезарядки нейтральные быстрые атомы беспрепятственно летят до столкновения с поверхностью изделия. Их энергия может уменьшиться при прохождении через синтезированную плазму по сравнению с энергией первичного ионного пучка, но не более чем на указанную величину в несколько десятков электронвольт. Характер воздействия пучка быстрых нейтральных атомов на поверхность ничем не отличается от воздействия пучка ионов и зависит лишь от их энергии.

Приведем пример конкретного использования предлагаемого способа для распыления диэлектрического материала ионами аргона с энергией 2 кэВ. Сечение перезарядки для ионов с указанной энергией σ_n=1,6•10^-15 см² (Хастед Дж. Физика атомных столкновений. М. Мир, 1965, с. 562, фиг. 12.5). Если температура газа в вакуумной камере близка к нормальной (Т≈300К), а давление газа р 10^-3 мм рт. ст. то плотность газа в камере n 2,687•10¹⁹ р/760 3,54•10¹³ см^-3, а длина свободного пробега ионов по отношению к процессу перезарядки λ_n=1/nσ_n=17,6 см см. Распыляемую мишень размещают в камере на расстоянии L от эмиссионной поверхности источника ионов равном 18 см или более. При L 17,6 cм содержание в пучке ускоренных частиц ионов уменьшается в е 2,72 раза и на поверхность мишени поступает 63% быстрых нейтральных атомов и 37% ионов. При L 35,2 см содержание ионов в пучке уменьшается в e² 7,39 раза и на мишень приходит 86,5% быстрых нейтральных атомов и 13,5% ионов. Увеличивая расстояние L, можно сделать убывающее по экспоненциальному закону содержание ионов в пучке сколь угодно малым. Однако уже при пучок заметно рассеивается в результате упругих соударений быстрых нейтральных атомов с молекулами газа и дальнейшее увеличение L нецелесообразно. Вместо увеличения L можно повышать давление газа в камере. При р 3•10^-3 мм рт.ст. λ_n=5,9 см расстояние L можно сократить до 6 см при 65%-ном содержание быстрых нейтральных атомов в пучке. Они распыляют диэлектрическую мишень с энергией, практически равной энергии первичного пучка ионов. Процесс не зависит от потенциала поверхности, заряжаемой оставшимися в пучке ионами. Снижению величины этого потенциала способствуют электроны из слоя синтезированной плазмы, прилегающей к эмиссионной поверхности источника ионов. По сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает обработку изделий из любых материалов независимо от потенциала их поверхности. Он позволяет обрабатывать изделия быстрыми нейтральными атомами химически активных газов, упростить конструкцию и повысить в десятки и сотни раз срок службы применяемого оборудования.

Использование: для обработки изделий в вакууме с целью очистки их поверхности, для повышения адгезии наносимых покрытий, а также для травления и ионной фрезеровки изделий, полировки поверхности, распыления любых материалов, упрочнения и модификации поверхности имплантацией ионов. Сущность изобретения: в вакуумной камере посредством источника ионов формируют ионный пучок. Напротив эмиссионной поверхности источника устанавливают обрабатываемое изделие. При этом последнее размещают от эмиссионной поверхности источника ионов на расстоянии L, превышающем длину свободного пробега ионов в режиме их перезарядки. В результате перезарядки пучок положительно заряженных ионов трансформируется в пучок нейтральных атомов без заметных изменений направления и величины скорости частиц. Процентное содержание нейтральных атомов в пучке по отношению к заряженным ионам можно сделать сколь угодно большим, варьируя расстояние L и давление газа в камере. Процесс не зависит от потенциала поверхности изделия, заряжаемой оставшимися в пучке ионами. Снижению величины этого потенциала способствуют электроны из слоя синтезированной плазмы, прилегающей к эмиссионной поверхности источника ионов. Быстрые нейтральные атомы в пучке осуществляют распыление диэлектрической мишени с энергией, практически равной энергии первичного пучка ионов.

Способ обработки изделий источником ионов, включающий формирование в вакуумной камере с помощью источника ионов ионного пучка и размещение изделий в камере напротив эмиссионной поверхности источника ионов, отличающийся тем, что изделия размещают от эмиcсионной поверхности источника на расстоянии, превышающем длину свободного пробега ионов по отношению к процессу перезарядки.