Источник быстрых нейтральных молекул Российский патент 2019 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам быстрых нейтральных молекул, преимущественно к источникам потоков большого поперечного сечения быстрых нейтральных молекул для травления и нагрева изделий в рабочей вакуумной камере, в том числе перед нанесением на них покрытий с целью повышения адгезии и качества покрытий.

Известен источник пучка ионов диаметром 50 см, позволяющий очищать от загрязнений и нагревать изделия перед нанесением на них покрытий в вакууме (Hayes А.V., Kanarov V., Vidinsky В. Fifty centimeter ion beam source. // Rev. Sci. Instrum., 1996, v. 67, No 4, p. 1638-1641). В нем плазменный эмиттер ионов аргона получают в газоразрядной камере источника с помощью разряда между цилиндрическим анодом и четырьмя блоками накаленных катодов из толстой вольфрамовой проволоки в магнитном поле, создаваемом соленоидами, при давлении аргона 0,02-0,04 Па. Ионно-оптическая система (ИОС) источника состоит из двух сеток: плазменной и ускоряющей. При ускоряющем напряжении между ними 300 В ток пучка составляет 0,5-1 А, а при 500 В его величину можно изменять от 1 А до 2,2 А. При энергии ионов 800-900 эВ ток пучка достигает 4-5 А, что соответствует максимальной плотности тока 2,5 мА/см². С уменьшением энергии ниже 300 эВ плотность тока падает до 0,1 мА/см².

Недостатком данного источника является использование накаленных катодов, которые отравляются в среде химически активных газов и быстро выходят из строя.

Известен источник ускоренных частиц, содержащий газоразрядную камеру с холодным катодом, анодом и источником питания газового разряда, корпус с фланцем для герметичного и электрического соединения с рабочей вакуумной камерой, внутри которого установлена газоразрядная камера, ускоряющую сетку между газоразрядной камерой и прилегающей к фланцу частью корпуса, а также источник ускоряющего напряжения, положительный полюс которого соединен с являющимся одним из электродов газоразрядной камеры холодным катодом, а отрицательный полюс соединен с фланцем корпуса (Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. В сб. Плазменная эмиссионная электроника, тез. докл. Улан-Удэ: Бурятский институт естественных наук СО АН СССР, 1991, с. 77-81, рис. 2).

Образованные в газоразрядной камере ионы ускоряются разностью потенциалов, приложенной между образованным в газоразрядной камере плазменным эмиттером и прямоугольной ускоряющей сеткой, и через отверстия сетки пролетают в рабочую вакуумную камеру. Источник обрабатывает изделия ионами и быстрыми молекулами.

Недостатком данного источника является низкая доля ионов, извлекаемых из плазменного эмиттера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа источник быстрых нейтральных молекул, содержащий газоразрядную камеру, источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ее катодом, рабочую вакуумную камеру для размещения обрабатываемых изделий, ускоряющую сетку, размещенную между газоразрядной камерой и рабочей вакуумной камерой и соединенную с рабочей вакуумной камерой через резистор, источник ускоряющего напряжения, положительный полюс которого соединен с одним из электродов газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ускоряющей сеткой (Патент РФ №2094896 С1, МПК H01J 27/04, опубл. 27.10.1997 г.). Ионы ускоряются напряжением между образованным в газоразрядной камере плазменным эмиттером и ускоряющей сеткой, пролетают через ее отверстия в рабочую вакуумную камеру и в результате столкновений с перезарядкой в промежутке между сеткой и изделием превращаются в быстрые нейтральные молекулы. Образованные в результате перезарядки медленные ионы поступают на стенки рабочей вакуумной камеры. Их ток в цепи соединенного с камерой резистора индуцирует на соединенной с резистором сетке отрицательный потенциал, равный падению напряжения на резисторе. Он препятствует проникновению в ускоряющий промежуток между сеткой и плазменным эмиттером электронов из вторичной плазмы в рабочей вакуумной камере.

Недостатками известного источника, в том числе технической проблемой являются сравнительно высокое давление газа 0,5-1 Па, при котором большинство пролетевших через сетку ионов успевает до попадания на поверхность изделия превратиться в быстрые нейтральные молекулы, загрязнение изделий материалом ускоряющей сетки, распыляемой не прошедшими через ее отверстия ионами и ограниченный срок службы ускоряющей сетки из-за ее распыления.

Задачей предложенного решения является снижение рабочего давления источника быстрых нейтральных молекул, поглощение атомов материала распыляемой ионами ускоряющей сетки и увеличение срока ее службы.

Технический результат - повышение эффективности очистки обрабатываемых изделий за счет исключения осаждения на последних посторонних примесей.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в источнике быстрых нейтральных молекул, содержащем газоразрядную камеру, источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ее катодом, рабочую вакуумную камеру для размещения обрабатываемых изделий, ускоряющую сетку, размещенную между газоразрядной камерой и рабочей вакуумной камерой и соединенную с последней через резистор, источник ускоряющего напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ускоряющей сеткой, ускоряющая сетка выполнена в виде набора параллельных пластин, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры и рабочей вакуумной камеры.

Изобретение поясняется чертежом - Фиг. 1 - на котором изображена схема источника быстрых нейтральных молекул.

Источник быстрых нейтральных молекул содержит газоразрядную камеру 1, источник питания разряда 2, положительный полюс которого соединен с анодом 3 газоразрядной камеры 1, а отрицательный полюс соединен с ее катодом 4, рабочую вакуумную камеру 5 для размещения обрабатываемых изделий 6, ускоряющую сетку 7, размещенную между газоразрядной камерой 1 и рабочей вакуумной камерой 5 и соединенную с последней через резистор 8, источник ускоряющего напряжения 9, положительный полюс которого соединен с анодом 3 газоразрядной камеры 1, а отрицательный полюс соединен с ускоряющей сеткой 7, выполненной в виде набора параллельных пластин 10, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры 1 и рабочей вакуумной камеры 5.

Кроме того на Фиг. 1 обозначены - плазменный эмиттер 11, слой положительного объемного заряда 12, ионы 13 и 18, молекула газа 14, быстрые нейтральные молекулы 15 и 19, медленный вторичный ион 16, вторичная плазма 17.

Устройство работает следующим образом.

Рабочую вакуумную камеру 5 откачивают до давления 10^-3 Па. Затем подают в нее рабочий газ, например, азот и увеличивают давление до 0,1-0,5 Па. Включением источника питания разряда 2 прикладывают между анодом 3 и катодом 4 напряжение в несколько сотен вольт. Включением источника ускоряющего напряжения 9 прикладывают между анодом 3 и ускоряющей сеткой 7 напряжение большее на 100-200 В. С помощью поджигающего устройства (не показано) зажигают в газоразрядной камере 1 газовый разряд. В результате полый катод 4 заполняется однородным плазменным эмиттером 11, потенциал которого практически равен потенциалу анода 3. Ускоренные в слое 12 положительного объемного заряда между плазменным эмиттером 11 и ускоряющей сеткой 7 ионы 13 пролетают через зазоры между пластинами 10 ускоряющей сетки 7 в рабочую вакуумную камеру 5, где в результате столкновений с молекулами газа 14 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 15. При этом направление движения и кинетическая энергия ускоренных частиц практически не изменяются. Образовавшиеся в результате перезарядки медленные вторичные ионы 16 поступают на стенки рабочей вакуумной камеры 5 и на пластины 10 ускоряющей сетки 7, откуда в результате вторичной ионно-электронной эмиссии поступают электроны, компенсирующие положительный объемный заряд ионов 16 в рабочей вакуумной камере 5. В результате в ней образуется вторичная плазма 17. Из-за углового разброса часть ускоряемых ионов 18 отражается от поверхности пластин 10 под углом в несколько градусов. В результате нейтрализации заряда ионов на металлической поверхности ионы 18 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 19 без столкновений с молекулами газа.

Если доля нейтрализуемых на пластинах 10 ионов 18 превышает 50%, можно без заметного снижения потока быстрых нейтральных молекул на поверхность изделия из диэлектрического материала 6 уменьшить на порядок давление газа в рабочей вакуумной камере 5.

Ионы 18, отражающиеся под углом в несколько градусов от поверхностей пластин 10, не распыляют их. Они распыляют лишь обращенные к плазменному эмиттеру 11 узкие торцы пластин 10 толщиной 0,5-1 мм. Распыленные атомы преимущественно влетает в полый катод 4 и осаждаются на его стенках. При ширине сеточных пластин 50-100 мм, на порядок превышающей расстояние между ними 5-10 мм, вероятность пролета в рабочую вакуумную камеру 5 распыленных атомов, осаждающихся на пластинах 10, практически равна нулю.

Если в прототипе толщина плоской сетки за 2 месяца эксплуатации на производстве уменьшается в результате распыления от 2 до 0,5 мм, то толщина 50-100 мм сетки в виде набора сеточных пластин практически не изменится после эксплуатации в течение нескольких лет.

Использование ускоряющей сетки, выполненной в виде набора параллельных пластин, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры и рабочей вакуумной камеры, позволяет значительно снизить рабочего давления источника быстрых нейтральных молекул, поглощать атомы материала распыляемой ионами ускоряющей сетки и увеличить срок ее службы.

Предлагаемый источник быстрых нейтральных молекул отличается по сравнению с прототипом более высоким сроком службы и обеспечивает травление как металлических, так и диэлектрических изделий при более низком давлении газа и поглощении распыленных атомов материала сетки сеточными пластинами. Это в свою очередь исключает осаждение на обрабатываемых изделиях посторонних примесей.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - создание источника быстрых нейтральных молекул, который обеспечивал бы снижение рабочего давления газа, поглощение атомов материала распыляемой ионами ускоряющей сетки и увеличение срока ее службы - решена, а технический результат - повышение эффективности очистки обрабатываемых изделий за счет исключения осаждения на последних посторонних примесей - достигнут.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для травления поверхности изделий в вакууме;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам быстрых нейтральных молекул, преимущественно к источникам потоков большого поперечного сечения быстрых нейтральных молекул для травления и нагрева изделий в рабочей вакуумной камере, в частности, перед нанесением на них покрытий с целью повышения адгезии и качества покрытий. Технический результат - повышение эффективности очистки обрабатываемых изделий за счет исключения осаждения на последних посторонних примесей. Источник быстрых нейтральных молекул содержит газоразрядную камеру, источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ее катодом, рабочую вакуумную камеру для размещения обрабатываемых изделий, ускоряющую сетку, размещенную между газоразрядной камерой и рабочей вакуумной камерой и соединенную с последней через резистор, источник ускоряющего напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ускоряющей сеткой. Ускоряющая сетка выполнена в виде набора параллельных пластин, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры и рабочей вакуумной камеры. 1 ил.

Источник быстрых нейтральных молекул, содержащий газоразрядную камеру, источник питания разряда, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ее катодом, рабочую вакуумную камеру для размещения обрабатываемых изделий, ускоряющую сетку, размещенную между газоразрядной камерой и рабочей вакуумной камерой и соединенную с последней через резистор, источник ускоряющего напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом газоразрядной камеры, а отрицательный полюс соединен с ускоряющей сеткой, отличающийся тем, что ускоряющая сетка выполнена в виде набора параллельных пластин, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры и рабочей вакуумной камеры.