Изобретение относится к ионным источникам с закрытым дрейфом электронов, которые могут быть использованы в качестве двигателей, в частности, для космических кораблей, либо в качестве ионных источников для промышленных операций, таких как, в частности нанесение покрытия напылением в вакууме, нанесение покрытия с помощью производимых ионов (I.A.D "Ion Assisted Deposition") (Нанесение покрытия с помощью ионов) или сухое травление микросхем.
Промышленные операции обработки пучком ионов могут способствовать внедрению ионных источников с сеткой или с закрытым дрейфом электронов. Первоначально эти два вида ионных источников были разработаны для использования в космосе (ионные двигатели или плазменные двигатели).
Источники с сетками, известные под названием ионных двигателей с бомбардировкой ("Ion bombardment thrusters"), были изобретены проф. Кауфманом в 1961 (Kaufman).
Эти источники производят ионы с относительно высокой энергией (500-1000 эВ) и с относительно малыми плотностями пучка (2-6 мА/см2 на уровне сетки). Они хорошо подходят для технологических операций таких, как тонкое глубокое гравирование или ионная равномерная эрозия целей.
Для других технологических операций (очистка поверхностей под вакуумом, скоростная механическая обработка, нанесение покрытия с помощью производимых ионов (I.A.D)) предпочтительно уменьшить энергию ионов и увеличить их плотность. Эта можно обеспечить с помощью ионных источников с закрытым дрейфом электронов (без сетки).
Существует три типа ионных источников с закрытым дрейфом электронов:
- стационарные плазменные двигатели (SPT),
- двигатели с анодным слоем (ALT),
- ионные источники, запатентованные проф. Кауфманом.
Этот последний источник описан в европейском патенте 0265365. В нем используется конический анод и осевой противоположный электрод. Этот источник используется исключительно для нанесения покрытия с помощью производимых ионов.
На фигуре 1 изображен плазменный двигатель с закрытым дрейфом электронов такой, который был предложен в статье Л.Н. Арцимовича и др., которая была опубликована в журнале "Машиностроение", стр. 75-84 по поводу программы развития стационарного двигателя и его испытаний на спутнике "МЕТЕОР".
Такие двигатели типа "двигателей с закрытым дрейфом электронов" или стационарных плазменных двигателей отличаются от других категорий тем, что ионизация и ускорение не отличаются и что зона ускорения содержит равное количество ионов и электронов, что позволяет устранить любое явление пространственного заряда.
На фигуре 1 показан кольцевой канал 1, образованный элементом 2 из изолирующего материала и установленный в электромагните, содержащем полюсные кольцевые наружный 3 и внутренний 4 элементы, установленные соответственно снаружи и внутри элемента 2 из изоляционного материала, магнитный корпус 12, расположенный перед двигателем и катушками электромагнита 11, которые располагаются по всей длине канала 1 и установлены последовательно вокруг магнитных сердечников 10, соединяющих наружный полюсный элемент 3 с корпусом 12. Заземленный (соединенный с корпусом) полый катод 7 соединен с устройством подачи ксенона для образования облака плазмы перед задним выходом канала 1. Кольцевой анод 5, соединенный с положительным полюсом источника электропитания, например в 300 В, расположен в передней закрытой части кольцевого канала 1. Труба для инжекции ксенона, взаимодействующая с термическим и электрическим изолятором 8, выходит в кольцевой распределительный канал 9, расположенный в непосредственной близости от кольцевого анода 5.
Ионизирующие и нейтрализирующие электроны поступают от полого катода 7. Ионизирующие электроны увлекаются в кольцевой изоляционный канал 1 электрическим полем, находящимся между анодом 5 и плазменным облаком, выходящим из катода 7.
Под действием электрического поля E и магнитного поля В, созданного катушкой 11, ионизирующие электроны направляются по траектории дрейфа по азимуту, необходимому для удержания электрического поля в канале.
Ионизирующие электроны отводятся, в данном случае, по закрытым траекториям внутри изоляционного канала, откуда и происходит название двигатель.
Движение дрейфа электронов увеличивает значительно вероятность столкновения электронов с нейтральными атомами с образованием ионов (в данном случае - ксенона).
Импульс, полученный обычными ионными двигателями с закрытым дрейфом электронов, работающих на ксеноне, составляет порядка 1000-2500 секунд.
Плазменные стационарные двигатели, которые были разработаны проф. Морозовым, интенсивно использовались в качестве космических двигателей.
На фигуре 2 представлен осевой разрез приведенного в качестве примера двигателя, разработанного профессором Морозовым, который был опубликован в документе FR-A-2-693770.
Этот двигатель 20 содержит также как и двигатель, изобретенный на фигуре 1, кольцевой канал 21, образованный элементом 22 из изоляционного материала, магнитную цепь, включающую наружный кольцевой элемент 24а и внутренний кольцевой элемент 24b, магнитный корпус 32, расположенный перед двигателем, и центральный сердечник 28, соединяющий кольцевые детали 24а и 24b и магнитный корпус 32. Катушки 31 позволяют создать магнитное поле и электрическое поле в кольцевом канале. Полый катод 40 соединен с ксеноновым устройством питания для образования плазменного облака перед задним выходом канала 21. Этот двигатель отличается тем, что он имеет успокоительную камеру 23, причем ее размер в радиальном направлении превышает размер главного кольцевого канала 21. Анод 25 расположен на изоляционных элементах 22, образующих кольцевой канал 21, в зоне, расположенной сразу же за успокоительной камерой 23. Кольцевой распределитель ионизируемого газа 27 располагается в глубине успокоительной камеры 23.
В обычных двигателях с закрытым дрейфом электронов в таких как те, которые представлены на фигуре 1, значительная часть ионизации локализуется в средней части. Часть ионов ударяются о стенки, что является причиной быстрого износа стенок и уменьшает, таким образом, срок службы двигателя. Распределение энергии электронов в плазме может быть уменьшено благодаря распределению магнитного поля, обеспечиваемому геометрией полюсных деталей. Магнитное поле воздействует на электроны, входящие в канал 21. Благодаря этому, обеспечивают более низкий электрический потенциал вдоль линий магнитного поля, что уменьшает расходимость ионного пучка на стенках и устраняет, таким образом, потери ионов в результате столкновений со стенками, что способствует увеличению коэффициента полезного действия и снижению разброса пучка при выходе из двигателя. Воздействуя на соотношение токов в катушках, можно, напротив, создать такое распределение поля (например, однообразное изменение радиального доля в плоскости выхода между наружным полюсным элементом и внутренним полюсным элементом), которое не позволит достигнуть режима со слабым расхождением.
Сильное расхождение пучка является благоприятным для некоторых промышленных операций таких, как нанесение покрытия с помощью производимых ионов (IAD (Ion Assisted Deposition)) на сферические колпачки.
Еще совсем недавно, характеристики стационарных плазменных двигателей (SPT) описывались во многих источниках, среди которых фигурируют "23rd International Electric Propulsion Conference (Seattle, September 1993) IEPC - 93 - 222 "The Development and Characteristics of High Power SPT Models".
("Развитие и характеристики моделей высокой мощности стационарных плазменных двигателей"), S. Absalyamov, V. Kim et S. Khartov, Moscow Aviation Institute, Moscow, Russie; V. Arkhipov, S. Kudryavison et N. Masiennikov, Fukel Entrevise Kaliningrad Russia
С. Абсалямов, В.Ким и С.Хартов, Московский Авиационный Институт, Москва, Россия: Б. Архипов, С. Кудрявисев и Н. Масиенников, Предприятие "Факел", Калининград, Россия: T. Colbert et M. Day, Space Systems (Космические системы), Loral, Palo Alto, Californie; A. Morozov et A. Veselovzorov, Institut of Atomic Energy, Moscou, Russie.
Двигатели с анодным слоем, называемые ALT, были описаны в российских публикациях, например, "Физика плазмы. Плазменные ускорители и ионные инжекторы". Москва, 1984: Плазменные ускорители с анодным слоем, З.И. Гаркуша, Л.В. Лесков, Е.А. Ляпин и совсем недавно на международных конференциях:
23-я конференция IEPC
IEPC-93-227. "Physical Principles of Anode Layer Accoleratovs", Zharinov et E. Lyapin, Central Research Institute of Machine Building, Kalinigrad (Region de Moscou), Russie. (Физические принципы ускорителей с анодным слоем), А. Жаринов и Е. Ляпин. Центральный научно-исследовательский институт Строительных машин, Калининград (Московская область), Россия.
IEPC-93-228. "Anode Layer Thruster: State of the Art Perspectives", A. Zharinov et E. Lyapin, Central Research Institute of Machine Вuilding, Kalinigrad (Region de Moscou), Russie;
(Двигатель с анодным слоем: Перспективы уровень техники) Е.Ляпин, В.Гаркуша и А. Семенкин, Центральный научно- исследовательский институт строительных машин, Калининград (Московская область), Россия.
IEPC-93-229. "Special Feature of Dynamic Processes in a Single - Stage Anode Layer Thrustor", E. Lyapin, V. Padogomova et S. Semenkin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Region de Moscou), Russie. ("Особая характеристика динамического процесса в одноступенчатого двигателе с анодным слешем". Е. Ляпин, В. Падогомова и С. Семенкин, Центральный научно-исследовательский институт строительных машин, Калининград, (Московская область), Россия.
30-ая конференция AIAA о приводе AIAA-94-3011. "Operating Characteristics of the Russian D-SS Thruster with Anode Layer", ("Рабочие характеристики российского двигателя с анодным слоем D-55"), John M. Sankovic et Thomas W. Haag, NASA Levis Research Center, Cleveland, Ohio et Devid H. Manzella, NYMA, Inc, Brook Park, Ohio.
На фигуре 3 показан разрез двигателя с анодным слоем ALT. Магнитная цепь очень похожа на магнитную цепь стационарного плазменного двигателя SPT первого поколения. Он содержит центральный полюсный элемент 54, вокруг которого намотана внутренняя катушка 61, которая служит опорой для двигателя, и другой полюсный кольцевой наружный элемент 53. Эти два полюсных элемента соединены с корпусом (заземлены) с помощью магнитных наконечников 60, поддерживающих наружные катушки 61.
В отличие от стационарных плазменных двигателей (SPT), в которых стенки ускоряющего канала являются изолирующими, стенки 56 ускоряющего канала 51 двигателей с анодным слоем (ALT) изготовлены из металлического проводникового материала. Массивный анод 55 и катод 59 служат также для распределения толкающих газов. Массивный анод 55 занимает наибольшего часть ускоряющей камеры, при этом ускоряющий канал 51 уменьшен до очень тонкой зоны, расположенной между массивным анодом 55 и проводниковыми стенками 56 (откуда происходит название двигателя с анодным слоем). Действительно, все части двигателя, входящие в контакт с разрядом, выполнены металлическими.
Анализ стационарных плазменных двигателей SPT и двигателей с анодным слоем (ALT) показал, что они не отвечают полностью требованиям применения в промышленности.
Как можно видеть на фигуре 4А, на которой изображен обычный плазменный двигатель с ускоряющим каналом, полностью образованном изоляционным элементом 62, при этом внутренняя поверхность, ограничивающая ускоряющий канал, разделяется на две зоны под влиянием работы двигателя. Задняя зона 67 с длиной L (длина L может иметь размер приблизительно от 5 до 7 мм для двигателя диаметром 100 мм) соответствует зоне, которая постоянно подвергается эрозии в результате ионной бомбардировки. Передняя зона 68 соответствует, наоборот, зоне, где осаждаются продукты эрозии.
На фигуре 4B представлено изменение величины радиальной составляющий магнитной индукции Br в зависимости от осевого положения Z на воображаемой цилиндрической поверхности 65, соответствующей среднему радиусу ускоряющего канала.
На фигуре 4C показано изменение величины потенциала V в зависимости от осевого положения на той же самой воображаемой цилиндрической поверхности 65, соответствующей среднему радиусу ускоряющего, канала.
Если рассматривать одновременно фигуры 4A, 4B, 4C, то можно заметить, что зона, подверженная эрозии 67 (фигура 4A) соответствует высокому радиальному магнитному полю Br (фиг. 4C). Напротив, зона осаждения 68 (фигура 4А) соответствует почти нулевому градиенту потенциала (фиг. 4C) и относительно слабому радиальному магнитному полю Br (фиг. 4B).
Работа двигателя связана со взаимодействием плазмы со стенкой и, в частности, с характеристиками вторичной эмиссии стенки. Свойства вторичной эмиссии могут отличаться в зонах 67 и 68.
Так как канал плазменных двигателей содержит нитрид бора, то эрозия этого канала может перенести атомы бора на обрабатываемую подложку. Это может создавать особые трудности для применения в микроэлектронике, так как бор является стимулятором для кремния.
Однако, для операций обработки в промышленности, необходимо суметь приспособить к газу, применяемому для обработки, материалы, входящие в контакт с разрядом. Итак, стационарные плазменные двигатели так же, как и двигатели с анодным слоем содержат практически недемонтируемые аноды, что не позволяет, например, легко переходить от кислорода к аргону.
Плазменные двигатели с ускоряющим каналом, образованным элементами, изготовленными полностью из керамики, так, как это было описано в ссылках на фигуры 1, 2 и 4А, характеризуются недостатками, заключающимися в том, что в случае, когда канал изготовлен из керамики, необходимо соблюдать противоречивые требования: стойкость к пульверизации ("sputtering"), механическая стойкость, стойкость к градиенту температур и к термическому удару.
На практике, необходима стойкость к пульверизации ионами, которая приводит к ограничению срока службы двигателя.
Кроме того, необходимость предусматривать керамическую деталь с весьма большой толщиной для того, чтобы обеспечить ее механическую стойкость, приводит к относительному удалению полюсных деталей, что может отрицательно повлиять на геометрию поля.
Кроме того, промышленное производство элементов канала из керамики трудно осуществимо из-за сложной формы этих элементов.
В основу настоящего изобретения поставлена задача устранения недостатков известных ионных источников с закрытым дрейфом электронов и, в частности, их изменение таким образом, чтобы обеспечить, большие возможности применения, а также внесение усовершенствований, в частности, уменьшение массы этих источников, увеличение срока службы, упрощение производства источников, облегчение их разборки и увеличение их механической прочности.
Настоящее изобретение также призвано уменьшить эмиссию частиц из-за эрозии стенок ускоряющего канала таким образом, чтобы эти источники могли бы быть эффективно использованы в качестве ионных источников в больших масштабах в промышленных операциях обработки, в то время как их конструкция ограничивала до настоящего момента их применение исключительно в качестве двигателей для спутников и других космических аппаратов.
Источник с закрытым дрейфом электронов, содержащий главный кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал, задний конец которого открыт, по меньшей мере, один полый компенсационный катод, расположенный снаружи главного кольцевого канала, средства для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, приспособленные для создания в указанном канале практически радиального магнитного поля, имеющего градиент с максимальной индукцией на заднем конце канала, первое средство подачи ионизируемого газа, соединенное с полым катодом и второе средство подачи ионизируемого газа, расположенное перед главным кольцевым каналом, и средства для поляризации, взаимодействующие с анодом, согласно изобретению, по меньшей мере, внутренняя стенка главного кольцевого канала этого источника состоит из электропроводящего материала, причем расположенные на концах элементы, доведенные до потенциала, который меньше потенциала анода, служат продолжением кольцевого канала за ним.
Ввиду того, что задняя часть канала подвергается интенсивной эрозии ионами, которая может вызвать вероятное загрязнение обрабатываемой подложки продуктами эрозии, согласно изобретению, можно изготовить заднюю часть, служащую продолжением канала, из материала, отличающегося от материала передней части кольцевого главного канала, при этом задняя часть должна быть существенно совместима с частично ионизированным плазмообразующим газом.
Согласно первому варианту выполнения изобретения, по меньшей мере часть главного внутреннего канала электрически поляризуется поляризационными средствами таким образом, чтобы, по меньшей мере, одна часть внутренней стенки главного кольцевого канала образовывала непосредственно указанный анод.
Согласно частному варианту выполнения изобретения, главный кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал является моноблочным узлом, который состоит из электропроводящего материала.
Более конкретно, главный кольцевой канал образует блок главного кольцевого канала, который закрыт в своей передней части успокоительной камерой, в которую полается плазмообразующий газ с помощью указанного второго средства подачи газа, включающего кольцевой распределитель, соединенный с подводящим трубопроводом.
Согласно частному варианту выполнения, средства для создания магнитного поля содержат магнитную цепь, состоящую из корпуса, на котором закреплен блок главного кольцевого канала, причем указанный корпус содержит осевой сердечник, на котором установлены нижний центральный полюсной башмак и верхний центральный полюсной башмак, расположенные концентрично относительно блока главного кольцевого канала, и содержит с другой стороны, большое количество анкерных болтов, располагаемых вокруг блока кольцевого канала после того, как канал установлен на корпус, и поддерживающих верхний периферийный полюсной башмак, а указанные верхние полюсные центральный и периферийный башмаки образуют вышеуказанные концевые элементы, потенциал которых доводится до меньшей величины потенциала анода, при этом вышеупомянутые верхние полюсные башмаки содержат защитные кольца, расположенные в отверстии главного кольцевого канала и защищающие полюсные башмаки от ионной эрозии плазмы и определяющие своей толщиной профиль магнитного поля в плазме. Защитные кольца выполнены съемными таким образом, чтобы можно было подобрать тип материала для их изготовления в соответствии с выполняемой ионным источником функцией.
Целесообразно, чтобы главный кольцевой канал был изолирован электрически и термически с помощью вакуума относительно элементов остальной части ионного источника, который включает электростатические экраны, при этом, пространство, заключенное между главным кольцевым каналом и элементами остальной части находится в пределах от 1 до 5 мм.
Согласно другому варианту изобретения, блок кольцевого канала закреплен на магнитном корпусе с помощью большого количества колонок, изготовленных из теплоизоляционного материала и удерживается на месте с помощью изоляторов, причем, эти колонки могут быть отсоединены от изоляторов для того, чтобы обеспечить возможность снятия блока кольцевого канала.
Согласно другому частному варианту выполнения, полюсные верхние элементы содержат защитные съемные кольца, установленные в отверстии главного кольцевого канала.
В этом случае, целесообразно, чтобы защитные кольца были выполнены из одного из следующих материалов таких, как: углерод, композиционный материал углерод-углерод, сплав никеля, благородный металл, керамический композиционный материал, состоящий из нитридов связанных кремнием, кремний, нержавеющая сталь, алюминий.
Согласно другому варианту, защитные кольца изготовлены из следующих изоляционных материалов таких, как нитрид бора, кварц.
Блок главного кольцевого канала может быть выполнен из одного из следующих материалов, таких как огнеупорный никелевый сплав, молибден, композиционный материал углерод-углерод.
Согласно частному варианту выполнения, в связи с тем, что испаряемый материал может осаждаться в кольцевом канале, внутренние стенки кольцевого канала частично покрываются изоляционным слоем для того, чтобы устранить воздействие испаряемого материала на электропроводящий материал, из которого изготовлен указанный канал.
Согласно другому частному варианту выполнения, внутренние стенки блока кольцевого канала плакируются благородным металлом таким как платина, золото или родий для того, чтобы устранить повреждения в результате химического воздействия газов, находящихся в указанном канале.
Согласно еще одному частному варианту выполнения изобретения, наружные стенки и внутренние стенки главного кольцевого канала изготовлены из электропроводящего материала и электрически изолированы от остальной части элементов конструкции источника, включая и анод.
В этом случае, целесообразно, чтобы концевые детали были изготовлены из диэлектрического материала покрывали частично главный кольцевой канал.
Согласно частному варианту, указанные концевые детали изготовляются в виде вставок из керамического материала, которые крепятся к опорам таким, как металлические листы, которые можно крепить, например, винтами на полюсных деталях.
Электропроводящие стенки кольцевого канала и успокоительной камеры имеют неустойчивый потенциал, величина которого немного меньше величины потенциала анода. Такая конструкция позволяет уменьшить взаимодействия плазмы со стенками и, следовательно, нагрев канала. Вследствие этого, канал может быть изготовлен из более тонкого листа.
Блок канал удерживается относительно магнитного поля посредством колонок, изготовленных из материала с низкой электропроводностью, относительно блока канала, анод удерживается изоляторами, а подача питания на него осуществляется через проводник по оси одной из колонок.
Подача газа осуществляется через блок канал. Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятны из нижеследующего описания вариантов выполнения приведенных в качестве неограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
- фиг. 1 изображает вид в осевом разрезе, представляющий пример плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов, согласно известному уровню техники;
- фиг. 2 - вид в осевом разрезе, представляющий другой пример плазменного двигателя с закрытым дрейфом электронов согласно известному уровню техники;
- фиг. 3 - вид в осевом разрезе, представляющий пример выполнения двигателя с анодным слоем согласно известному уровню техники;
- фиг. 4А - частичный вид в осевом разрезе плазменного двигателя согласно известному уровню техники, на котором показана эрозия задней части канала;
- фиг. 4В - диаграмму, на которой показано изменение величины радиальной составляющей Br магнитной индукции в зависимости от положения Z осевого направления, соответствующего среднему радиусу канала, изображенного на фиг. 4А;
- фиг. 4C - диаграмму, на которой показано изменение электрического потенциала V плазмы в зависимости от положения Z в осевом направлении, соответствующем радиусу канала, изображенного на фиг. 4А;
- фиг. 5 - вид в осевом разрезе ионного источника, согласно первому варианту выполнения изобретения;
- фиг. 6А - схематический разрез для объяснения работы ионного источника, согласно изобретению;
- фиг. 6В - диаграмму, на которой показано изменение величины электрического потенциала V плазмы в зависимости от положения Z в осевом направлении соответствующем среднему радиусу канала, изображенного на фиг. 6А;
- на фиг. 7 - вид в осевом разрезе ионного источника, иллюстрирующий альтернативный вариант установки элементов согласно первому варианту выполнения изобретения;
- на фиг. 8 - перспективный вид, показывающий установку различных элементов, образующих ионный двигатель, согласно первому варианту выполнения изобретения;
- на фиг. 9 - перспективный вид половины осевого разреза ионного источника, согласно первому варианту выполнения изобретения, на котором показана подача возгоняемого твердого тела в канал;
- на фиг. 10 - вид половины осевого разреза кольцевого канала ионного источника, согласно первому варианту выполнения изобретения, показывающий частичное нанесение изоляционного слоя на внутренние стенки кольцевого канала;
- фиг. 11 - вид в осевом разрезе ионного источника с закрытым дрейфом, согласно второму варианту выполнения изобретения;
- фиг. 12 - детальный вид, показывающий пример паянного соединения, которое может быть выполнено между вставкой из диэлектрического материала и электропроводящей опорой и обеспечить центрирование ускорительного канала ионного источника, согласно второму варианту выполнения изобретения.
Рассмотрим вначале фигуру 5, на которой показан общий вид в осевом разрезе первого варианта ионного источника с закрытым дрейфом электронов, согласно изобретению.
Конструкция и изготовление кольцевого канала значительно упрощены по сравнению со случаем источника, применяемого в космосе такого, который представлен на фиг. 2.
Успокоительная камера 123, размеры которой уменьшены, и передняя часть главного кольцевого ускорительного канала образуют моноблочный металлический узел 122, который будет называться в нижеследующем описании "блок - канал" и который выполняет, в частности, роль анода 125.
Магнитная цепь, состоящая из корпуса 136, осевого сердечника 138, полюсного башмака 132, внутреннего полюсного башмака 135, анкерных болтов 137 и наружнего полюсного башмака 134, определяет максимальное магнитное поле в воздушном зазоре, образованном полюсными башмаками 134, 135.
Это поле имеет минимум вблизи полюсных башмаков 132.
Поле создается внутренней катушкой 133 и одной или несколькими наружными катушками 131, что позволяет выравнивать его распределение и регулировать таким образом расхождение пучка ионов.
В своей передней части, блок канал 122 имеет успокоительную камеру, которая снабжена каналом впрыска газа 127, в который он подается через трубопровод 126. Этот блок канал 122, служащий анодом 125, удерживается, по меньшей мере, тремя колонками 121, при этом одна из них может быть образована самим трубопроводом 126. Эти колонки 121, 126 крепятся на изоляторах 145 гайками 146. Таким образом, колонки 121, 126 могут отсоединяться от изоляторов 145 для того, чтобы обеспечить снятие блок кольцевого канала 122. Электростатические колпаки 147, 148, 154 позволяют предотвратить разряд. Подача газа осуществляется с помощью трубопровода, соединенного с массой 150, изолятора 151 и штуцера, содержащего прокладку 152 и гайку 153. Этот узел устанавливается в основание 130, которое служит опорой для источника.
Электрический разряд, производящий пучок ионов устанавливается между полым катодом 140, в который подается благородный газ или смесь газа, по меньшей мере, один из этих газов может быть реактивным.
Тип материала канала 122 может выбираться в зависимости от ионизируемого газа, в то время, как тип материала защитных колец 164, 165, которые устанавливаются в качестве продолжения блока канала 122, за ним и которые подвержены эрозии под воздействием ионов, может выбираться одновременно с учетом типа газа и в соответствии с требованиями, которым должна отвечать обрабатываемая подложка (например, полупроводник или тонкий оптический слой). На этом основании, съемные защитные кольца 164, 165, которые располагаются соответственно в наружном 134 и внутреннем полюсных башмаках, могут быть изготовлены из углерода (характеризующегося низкой степенью эрозии), из керамического композиционного материала (такого, как композиционный материал, состоящий из кремния, нитрата кремния и нитрата титана), из алюминия, нержавеющей стали, благородного металла (такого, как платина или золото).
Расположенные снаружи блок канала 122, экраны 139, 159, 160 играют одновременно термического и электростатическую роль относительно блока канала 122. Они препятствуют чрезмерному нагреву полюсных башмаков и катушек и образуют вокруг блок канала 122 поле, препятствующее разрядам. Таким образом, главный кольцевой канал 122 изолирован термически и электрически от остальной части источника 139, 159, 160 вакуумом. Пространство между кольцевым каналом 122 и остальной частью источника находится в пределах от 1 до 5 мм.
Испытания показали, что используя блок-канал 122, изготовленный полностью из проводникового материала, взаимодействующего в задней части с концевыми деталями 134, 135, 164, 165 доведенными до отличающегося потенциала менее высокого, в случае необходимости, чем потенциал массы, можно получить профиль потенциала плазмы вдоль средней оси канала 122 (фиг. 6В), который практически идентичен профилю потенциала стационарных плазменных двигателей (СРТ) первого поколения (фиг. 4C). Итак, можно создать постепенное ускорение ионов в канале, образованном из двух зон, доведенных до разных потенциалов. Профиль магнитного поля в плазме определяется толщиной защитных колец 164, 165, которые защищают полюсовые летали от ионной эрозии плазмы.
Определение типа материала стенок канала в зависимости от типа промышленной обработки, при которой используются ионы, произведенные источником, является исключительно проблемой химии ввиду реакции стенки с частично ионизированным плазмогенерирующим газом. Используя ионный источник, выполненный согласно изобретению, и благодаря стенкам из проводникового материала, теперь можно использовать этот источник для полного диапазона операций обработки, для которых обычные источники с каналом из керамического материала малоприменимы.
Электрическая изоляция блок канала 122 относительно корпуса осуществляется посредством трех снабженных изоляторами 145 колонок 121. Электрическая изоляция переднего торца, боковых торцов, и заднего торца блок канала 122 относительно заземленных деталей (то есть, полюсовых башмаков 134 и 135 и термических экранов 139 и 159) обеспечивается вакуумом. Действительно, небольшое расстояние между стенками (около одного миллиметра) и небольшое давление (2•10-4 - 5•10-4 мбар) приводит к разрядному напряжению, значительно превышающему рабочее напряжение (согласно закону Паскаля).
Блок канал 122 получает тепловой поток излученный и рассеянный (в результате неупругих столкновений ионов и электронов) плазмой. Это соответствует мощности в несколько сотен ватт для источника в 1,5 кВт. Для того, чтобы устранить возможность чрезмерного нагрева полюсных деталей (температура которых должна всегда оставаться ниже точки Кюри), катушек и съемных соединительных узлов 145, 153, 152 тепловые потери блока канала 122, образующего анод 125 в сторону отдачи остальной части источника ограничиваются благодаря специальным особенностям конструкции.
Таким образом, единственное подводящее тепло соединение с источником состоит из полых колонок опор 121 и подводящего газ трубопровода 126.
Эти колонки могут быть изготовлены из материала с плохой теплопроводностью (нержавеющая сталь, инконель) таким образом, чтобы как можно больше уменьшить передачу теплового потока.
Кроме того, следует отметить, что эти колонки (и/или подводящий газ трубопровод) обеспечивают возможность дифференциального теплового расширения блока канала 122, образующего анод 125 относительно магнитного корпуса 136.
Кроме того, излучаемый тепловой поток ограничивается:
а) обеспечивая слабую излучающую способность наружных поверхностей блок канала 122, образующего анод 125 (например, с помощью полировки наружных поверхностей);
b) устанавливая защитный от облучений экран 159 между блок-каналом 122, который образует анод 125, и катушкой 133, причем этот экран выполняет также роль электростатического экрана;
с) устанавливая наружный экран 139, который препятствует облучению катушек 131 и полюсного башмака 134.
Этот экран может быть выполнен, например, либо в виде массивного блока 139, такого, который изображен на фиг. 5, который отражает тепловой поток на большую поверхность, либо в виде экрана, с закрытыми сетками окнами 179, изображенного на фиг. 7, обеспечивающего прямое облучение блока канала 122, образующего анод 125 в некотором пространственном угле.
Снятие блока канала облегчается благодаря конструктивным особенностям источника, представленные на фиг. 8.
Часть, которая служит продолжением блока-канала 122, за ним разделена на два съемных и взаимозаменяемых кольца. Наружное кольцо 164 устанавливается на наружном полюсном башмаке 134 с помощью винтов, в то время как внутреннее кольцо 165 стопорится в установленном положении внутренним полюсным башмаком 135. Для того, чтобы заменить кольца 164 и 165, достаточно снять полюсные башмаки.
Распределитель газа 127 составляет единое целое с успокоительной камерой 123.
Блок-канал 122 также выполнен в виде металлической легкозаменяемой летали. Для того, чтобы снять блок-канал 122 необходимо сперва извлечь узел, состоящий из наружного полюсного башмака 134, защитного кольца 164 и экрана 139, и узел, состоящий из внутреннего полюсного башмака и защитного кольца 165. Эту первую стадию разборки можно осуществлять без выполнения операций разрегулировки, оставляя при
этом источник на месте его установки.
Затем, достаточно снять колпаки 148 и 154 для того, чтобы обеспечить доступ к гайкам 146, для обеспечения возможности отсоединения колонок 121 и трубопровода 126 для извлечения блок канала 122 в осевом направлении.
Соединение между системой подачи газа и трубопроводом 126 герметичное. Плоская прокладка 152 обеспечивает плотность соединения двух деталей. Она расплющивается гайкой 153. Для того, чтобы обеспечить легкий доступ к гайкам 146 и 153, основание 130 выполнено съемным (фиг. 5). В нем предусмотрено отверстие 176 для выхода газа, закрытое сеткой для того, чтобы исключить возможность проникновения плазмы, находящейся в вакуумной камере внутри пространства, образованного основанием 130 и магнитным корпусом 136. Поляризационный провод 143 анода 125 и трубопровод подачи газа 150 установлены рациональным образом в промежутке между корпусом 136 и основанием 130 для того, чтобы не затруднять снятие этого основания.
На фиг. 9 показано устройство, обеспечивающее подачу в блок канала 122 частиц возгоняемого в вакууме твердого тела (металлы с высокой упругостью пара, летучие окислы). Это позволяет ионизировать эти пары (частично) для осуществления нанесения реактивного или не реактивного покрытия в вакууме.
Для обеспечения высококачественного термического контроля блока канала 122, можно снабдить наружный экран 139 нагревательным элементом 191. Следует отметить, что форма успокоительной камеры похожа на форму тигеля, что позволяет выравнивать поток пара. В случае необходимости, можно ввести в эту камеру конический карниз 192.
На фиг. 10 представлен вариант блока канала 122, снабженный внутренним изолирующим покрытием 193, которое ограничивает электропроводящую зону 198, образующую анод 125 напротив минимума поля.
На фиг. 11 показан общий вид в осевом разрезе второго варианта ионного источника с закрытым дрейфом электронов, согласно изобретению. Этот ионный источник содержит следующие составляющие элементы: полый компенсационный катод 240, расположенный снаружи, собственно говоря, источника за ним; магнитную цепь, содержащую корпус 236, расположенный перед источником, и соединительные стержни 237, 238, соединяющие корпус 236 с наружным полюсным башмаком 234 и внутренним полюсным башмаком 235, изготовленные в форме колец, расположенных за ионным источником; средства 231, 233, предназначенные для создания магнитодвижующей силы, состоящие из катушек, которые могут быть расположены, например, вокруг некоторых соединительных стержней 237, 238 и полюсных вспомогательных деталей 232, 239, которые определяют минимум поля рядом с анодом; ионизирующий и ускоряющий кольцевой блок канал 222, который ограничен в задней части цилиндрической металлической наружной стенкой 281 и цилиндрической металлической внутренней стенкой 282 и продолжение которого в ускорительной зоне образовано двумя кольцевыми элементами 264, 265 из диэлектрического (керамического) материала, которые удерживаются относительно внутреннего полюсового элемента 235 и наружного полюсового элемента 235, либо с помощью механического соединения (устанавливаются между полюсным элементом и металлическим блокирующим элементом), либо посредством пайки каждого керамического кольца 264, 265 на металлической опоре, которая сама крепится винтами на полюсной соответствующей летали 234, 235.
В дно успокоительной камеры устанавливают цилиндрический анод 225 и распределитель газа 227, при этом анод 225 блокируется на месте установки изоляторами 283, которые прижимаются распределителем 227 к дну камеры с помощью анкерных болтов 221 и распорок 221а.
Эти узлы, состоящие из анкерных болтов 221 и распорок 221а, устанавливаются на изоляторах 245, обеспечивающих точную установку относительно магнитной цепи (и более точно, относительно корпуса 236).
В распределитель 227 газ подается через трубопровод 226 и через штуцер 252, установленный на изоляторе 245.
Поляризация анода обеспечивается с помощью анкерных болтов 221b и поляризационного провода 243.
Анод 225 и распределитель 227 оказываются в положении, обеспечивающем их легкое снятие.
Кроме того, ионный источник содержит электростатические проводниковые экраны 259, 339, которые охватывают кольцевой канал 222.
Экраны 259, 339 могут скользить на их задних концах соответственно на керамическом наружном кольце 264 и керамическом внутреннем кольце 265.
То же справедливо и для канала 222, концы которого могут быть снабжены металлическим проводом, устраняющим эффект острого конца или же возможностей разряда.
Свободное пространство, созданное между электропроводящими экранами 259, 339 и металлическими стенками 281, 282, имеет почти постоянную ширину (обычно колеблющуюся в пределах от 1 до 5 мм) таким образом, чтобы можно было устранить возможность электрического разряда между стенками 281, 282 и экранами 259, 339. Экраны 259, 339 могут быть снабжены сеткой для того, чтобы обеспечить возможность удаления газа из пространства, образованного экранами и стенками 281, 282.
Концевые летали 264, 265 имеют длину вдоль ускоряющего канала 222, который простирается по меньшей мере по зоне, соответствующей длине L на фиг. 4, то есть по зоне эрозии, вызываемой ионами. Как видно из анализа фиг. 11, электропроводящие стенки 281, 282 определяют ширину ускоряющего канала 222 в радиальном направлении, которая может превышать ширину ускоряющего канала 222, определяемую в радиальном направлении концевыми деталями 264, 265 из диэлектрического материала.
Действительно, такое расположение позволяет устранить возникновение прерывистости (нарушения сплошности) в месте перехода зоны отложения в зону эрюзии, при этом слой осаждается постепенно на поверхности 281 и 282.
Однако, следует отметить, что можно изготовить источник, в котором поверхности 281 и 282 были бы выполнены с диаметром концевых элементов 264, 265 или же лаже с диаметром меньшим (281) и большим (282) (указанного диаметра концевых элементов 264, 265) с конической соединительной муфтой, это позволит уменьшить воздушный зазор между вспомогательными полюсовыми элементами 232, 239.
Как видно из анализа фигуры 11, электропроводящие стенки 281, 282 электрически соединены между собой проводниковым основанием 270, образующим совместно с электропроводящими стенками 281, 282 моноблочный узел, который, в свою очередь, может быть присоединен к узлу 227 распределителя газа.
Цилиндрические поверхности 281 и 282 соединены с основанием камеры 270 по радиусам кривой, обеспечивающим гладкую постепенно изменяющуюся поверхность. Таким образом, электрическое поле, образованное между электропроводящими стенками 281, 282 и проводниковыми экранами 259, 339, соединенными с корпусом, не претерпевает значительного увеличения, которое может привести к пробою.
Передняя часть ускоряющего канала 222 отделена от полюсных элементов 232, 239, а также от электростатических экранов 259, 339 вакуумным пространством. Таким образом, также, как и в случае варианта выполнения, представленного на фиг. 5, главный кольцевой канал 222 электрически и термически изолированы от остальной части источника 259, 339, 232, 239, 236 вакуумом, причем, пространство, заключенное между главным кольцевым каналом 22 и остальной частью источника, находится в пределах от 1 до 5 мм. Согласно варианту выполнения, представленному на фиг. 11, стенки 281, 282 кольцевого канала 222 электрически изолированы от остальной части элементов конструкции источника, включая и анод 225.
Также можно привести вспомогательные полюсные элементы 232, 239 в контакт с электростатическими экранами 259, 339, также в целях уменьшения воздушного зазора и улучшения контроля профиля магнитного поля.
Наружная поверхность стенок 281, 282, 270, a также наружная и внутренняя поверхности экранов 259, 339 могут быть отполированы для того, чтобы уменьшить радиальные радиоактивные потери. Это позволяет, в частности, уменьшить тепловой поток на центральной катушке 233 (фиг. 11).
И наоборот, согласно варианту выполнения, лишь наружная поверхность наружной стенки 281 камеры может быть покрыта покрытием с высоким коэффициентом излучения также, как и поверхности экрана 339, при этом часть экрана 259, которая обращена к внутренней стенке 282, остается отполированной. Такой вариант улучшает охлаждение облучением проводникового канала и одновременно, препятствует разогреву центральной катушки 233.
Срок службы и эффективность работы ионного источника зависят от функциональных явлений, которые происходят внутри ионизационного слоя.
Основное явление, которое определяет срок службы является эрозия концевых элементов 264, 265 узла, состоящего из разрядной камеры и ускоряющего канала 222, происходящая в результате выброса ускоренных ионов к стенкам.
Характеристики целостности ионного источника с закрытым дрейфом электронов широко определены и подтверждены геометрией и интенсивностью магнитного поля в ускоряющем канале и остаются стабильными даже тогда, когда задняя часть выхода разрядной камеры расширяется в результате воздействия не нее выброса ионов (см. фиг. 4А). Значительное ухудшение эффективности работы двигателя наблюдалось только после того, как был осуществлен полный выброс ионов на стенки разрядной камеры в промежуток между полюсами магнитной системы и после того, как сами полюса 234, 235 были подвержены воздействию значительных выбросов. В этом случае, изменения топологии и интенсивности магнитного поля являются основными причинами ухудшения рабочих характеристик.
В случае настоящего изобретения, используются для концевых элементов 264, 265 стенок узла, состоящего из разрядной камеры и ускоряющего канала, вставки из диэлектрического материала достаточно толстого, имеющего высокую стойкость против пульверизации ускоренными ионами, что способствует увеличению срока службы комплекса ионного источника.
Из обычных известных ионных источников с закрытым дрейфом электронов, были заимствованы материалы, имеющие высокую стойкость к термическим ударам и выбросам ускоренных ионов, для изготовления стенок разрядной камеры (фиг. 4А). Известно, что керамические элементы из оксидов алюминия (глинозема) имеют очень высокую стойкость к выбросам ускоренных ионов, но характеризуется также недостаточной теплостойкостью, которая быстро приводит к образованию трещин на стенках камеры, вследствие многочисленных циклов запуска источника. Эти эффекты являются следствием высокого температурного градиента наблюдаемого при запуске вдоль относительно тонких стенок камеры. Однако, в случае когда, в соответствии с изобретением, используют только вставки 264, 265 с относительно малыми размерами, изготовленными в виде колец, расположенных рядом с выходом из камеры, можно изготовить вставки из глинозема с удовлетворительной теплостойкостью.
Кроме того, учитывая форму кривой (фиг. 4) потенциала плазмы V, которая остается существенно постоянной настолько долго пока радиальная составляющая Br магнитной индукции остается ниже 0,6 Bmax или 0,8 Bmax согласно режиму работы, где Bmax обозначает максимальную величину этой радиальной составляющей Br (фиг. 4) замена согласно изобретению, проводниковой стенки 281, соответственно 282 на стенку из диэлектрического материала для зоны разрядной камеры соответствующей части существенно постоянной кривой V не вызывает заметного ухудшения процесса работы в системе источника. Это было проверено при проведении различных исследований работы источника.
Благодаря тому, что внутренняя 281 и наружная проводниковые стенки электрически изолируются от остальной части конструкции ионного источника, можно обеспечить высокую стабильность процесса работы ионного источника и выравнивать параметры плазмы в зоне расположенной рядом с анодом 225.
Однако в некоторых случаях стенки 281, 282 могут быть также соединены с анодом 225 с помощью электрического сопротивления.
Изготовление электропроводящих стенок 281, 282 из металла или композиционного материала способствует уменьшению массы комплекса ионного источника.
Следует учитывать тот факт, что электропроводящие стенки 281, 282 имеют потенциал, приблизительно равный потенциалу анода, в то время, как во время работы элементы конструкции магнитной системы (элементы 236, 237, 238) находятся под воздействием потенциала, приблизительно равного потенциалу катода. Для того, чтобы устранить возникновение электрических разрядов между магнитной системой и камерой, эта камера окружена проводниковыми экранами 339, 259, расположенными на небольшом приблизительно постоянном расстоянии от стенок 281, 282 и 270.
Очень прочное соединение керамических деталей 264, 265 и опорных деталей 274, 275 может быть обеспечено пайкой.
На фиг. 12 приведен пример паяного соединения, которое допускает возможность дифференциальных расширений между деталями 264 соответственно 265, и металлической опоры 274 соответственно 275, с соблюдением требования электрического поля между экраном 339, соответственно 259 и стенкой 281, соответственно 282.
Для этой цели, опора 274 содержит загнутый конец 272, который смачивается припоем 271, и опора 275 может быть выполнена таким же образом.
Изобретение относится к ионным источникам с закрытым дрейфом электронов, которые могут быть использованы в качестве двигателей, в частности, для космических кораблей, либо в качестве ионных источников для промышленных операций, например нанесение покрытий напыления в вакууме. Ионный источник с закрытым дрейфом электронов содержит главный кольцевой ионизирующий и ускоряющий канал, задний конец которого открыт и по меньшей мере внутренняя стенка которого изготовлена из электропроводящего материала. Защитные кольца, доведенные до потенциала более низкого, чем потенциал анода, служат продолжением кольцевого канала за ним. Кроме того, ионный источник содержит полый катод, средства подачи ионизируемого газа, соединенные с катодом и анодом, средства для поляризации анода и средства для создания магнитного поля в главном кольцевом канале. Технический результат - уменьшение массы источника, увеличение срока службы, упрощение производства источника, облегчение их разборки и увеличение их механической прочности. 20 з.п.ф-лы, 12 ил.
| Система регулирования давления тормозного цилиндра поезда и железнодорожный поезд | 2018 |
|
RU2693770C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 1992 |
|
RU2022167C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 1992 |
|
RU2030134C1 |
| US 5218271 A 08.06.1993 | |||
| EP 0541309 A, 12.05.1993 | |||
