Источник быстрых нейтральных молекул Российский патент 2020 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, последняя выполнена в виде набора параллельных пластин, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры и рабочей вакуумной камеры, а катод газоразрядной камеры выполнен в виде холодного полого катода с эмиссионным отверстием, обращенным в сторону ускоряющей сетки.

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 9 ускоряющего напряжения, 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. При этом катод 4 газоразрядной камеры 1 выполнен в виде холодного полого катода с эмиссионным отверстием 11, обращенным в сторону ускоряющей сетки 7.

Кроме того на Фиг. 1 обозначены - плазменный эмиттер 12, слой положительного объемного заряда 13, ионы 14 и 19, молекула газа 15, быстрые нейтральные молекулы 16 и 20, медленный вторичный ион 17, вторичная плазма 18.

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 12, потенциал которого практически равен потенциалу анода 3. Ускоренные в слое 13 положительного объемного заряда между плазменным эмиттером 12 и ускоряющей сеткой 7 ионы 14 пролетают через отверстие 11 и далее через зазоры между пластинами 10 ускоряющей сетки 7 в рабочую вакуумную камеру 5, где в результате столкновений с молекулами газа 15 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 16. При этом направление движения и кинетическая энергия ускоренных частиц практически не изменяются. Образовавшиеся в результате перезарядки медленные вторичные ионы 17 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 17 в рабочей вакуумной камере 5. В результате в ней образуется вторичная плазма 18. Из-за углового разброса часть ускоряемых ионов 19 отражается от поверхности пластин 10 под углом в несколько градусов. В результате нейтрализации заряда ионов на металлической поверхности ионы 19 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 20 без столкновений с молекулами газа.

Если доля нейтрализуемых на пластинах 10 ионов 19 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 19, отражающиеся под углом в несколько градусов от поверхностей пластин 10, не распыляют их. Они распыляют лишь обращенные к плазменному эмиттеру 12 узкие торцы пластин 10 толщиной 0,5-1 мм. Распыленные атомы преимущественно влетают через отверстие 11 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. Техническим результатом является 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, согласно изобретению ускоряющая сетка выполнена в виде набора параллельных пластин, перпендикулярных плоскости раздела газоразрядной камеры и рабочей вакуумной камеры, а катод газоразрядной камеры выполнен в виде холодного полого катода с эмиссионным отверстием, обращенным в сторону ускоряющей сетки. 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, а катод газоразрядной камеры выполнен в виде холодного полого катода с эмиссионным отверстием, обращенным в сторону ускоряющей сетки.