Устройство для обработки изделий быстрыми атомами Российский патент 2022 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к области обработки изделий ускоренными ионами или быстрыми атомами и предназначено для получения изделий с повышенными механическими и электрофизическими характеристиками поверхности за счет имплантации в нее легирующих элементов.

Известны метод и устройство для плазменной иммерсионной ионной имплантации (Conrad J.R. Method and apparatus for plasma source ion implantation. Patent US 4,764,394, August 16, 1988). Рабочую вакуумную камеру при низком давлении газа заполняют плазмой, погружают в нее обрабатываемое изделие и подают на изделие импульсы высокого напряжения отрицательной полярности. Ионы из плазмы ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и изделием и внедряются в его поверхностный слой.

Недостатком данного устройства является невозможность подавать высоковольтные импульсы на изделия из диэлектрических материалов.

Другим устройством, известным из уровня техники, является вакуумная установка с камерой, оснащенной источником ионного пучка большого сечения (Hayes А.V., Kanarov V., Vidinsky В. Fifty centimeter ion beam source. Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. No 4. P. 1638-1641). При давлении около 0,01 Па пучок ионов с энергией до 5 кэВ и током до 5 А может обрабатывать вращающиеся в камере напротив ионно-оптической системы источника изделия с размерами в десятки сантиметров.

Недостатками данного устройства являются трудоемкость изготовления ионно-оптической системы, высокая стоимость и невозможность обрабатывать изделия ионами химически активных газов. Последнее связано с тем, что в ионном источнике для формирования плазменного эмиттера используется разряд с накаленными катодами, которые быстро отравляются и выходят из строя в химически активной среде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для обработки изделий быстрыми атомами (Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Источник широкого пучка быстрых атомов, получаемых при перезарядке ионов, ускоряемых между двумя областями, заполненными плазмой // Приборы и техника эксперимента. 2009. №4. С. 166-172).

Устройство содержит вакуумную камеру, установленный на ней полый корпус, размещенный внутри корпуса полый катод, анод, перекрывающую выходное отверстие катода ускоряющую сетку диаметром 20 см, соединенную с камерой через резистор, источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с анодом, а отрицательным плюсом - с полым катодом, и источник ускоряющего напряжения, соединенный положительным полюсом с анодом, а отрицательным плюсом - с сеткой.

При давлении аргона ~ 0,4 Па подача ускоряющего напряжения до 10 кВ между анодом и сеткой и напряжения до нескольких сотен вольт между анодом и полым катодом инициирует тлеющий разряд, в результате полый катод заполняется однородным плазменным эмиттером. Ускоренные в слое объемного заряда между плазменным эмиттером и ускоряющей сеткой ионы влетают через отверстия сетки в вакуумную камеру, где при столкновениях с атомами газа превращаются в быстрые атомы.

Пучок диаметром 20 см быстрых атомов, например, азота с энергией до 10 кэВ бомбардирует расположенные в камере изделия, например, плоские подложки диаметром 2 см и осуществляет имплантацию азота в их поверхностный слой. Скорость имплантации, определяемая плотностью тока ионов через ускоряющую сетку, ограничена. В то же время, площадь поперечного сечения пучка заметно превышает поверхность обрабатываемых подложек, и значительная доля быстрых атомов попадает на стенку камеры. Это снижает эффективность их использования.

Недостатками известного устройства, в том числе техническими проблемами, являются интенсивное распыление сетки ионами, которое сокращает срок службы устройства и вызывает загрязнение изделий атомами материала сетки, а также ограниченная скорость обработки изделий и низкая эффективность использования быстрых атомов.

Задачей предложенного решения является создание устройства для обработки изделий быстрыми атомами с повышенным сроком службы, повышенной скоростью обработки и повышенной эффективностью использования быстрых атомов.

Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет увеличения скорости обработки путем уменьшения поперечного сечения пучка быстрых атомов и повышения плотности их потока на обрабатываемые изделия, а также увеличения долговечности устройства путем замены плоской ускоряющей сетки, сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для обработки изделий быстрыми атомами, содержит вакуумную камеру, установленный внутри вакуумной камеры анод, включенный между анодом и вакуумной камерой источник питания разряда, установленный на вакуумной камере полый корпус, установленный в торце полого корпуса съемный фланец-держатель обрабатываемых изделий, установленный на полом корпусе высоковольтный ввод напряжения, генератор высоковольтных импульсов напряжения, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с высоковольтным вводом напряжения, заявленное устройство снабжено ускоряющей сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин, установленных внутри полого корпуса на границе с вакуумной камерой и соединенных электрически с высоковольтным вводом напряжения, причем обращенные в сторону вакуумной камеры участки плоскопараллельных металлических пластин имеют форму сегмента круга.

Изобретение поясняется графическими изображениями.

На фиг. 1 представлена схема устройства для обработки изделий быстрыми атомами.

На фиг. 2 тоже, вид сверху.

Устройство для обработки изделий быстрыми атомами содержит вакуумную камеру 1, установленный внутри вакуумной камеры 1 анод 2, включенный между анодом 2 и вакуумной камерой 1 источник питания разряда 3, установленный на вакуумной камере 1 полый корпус 4, установленный в торце полого корпуса 4 съемный фланец-держатель 5 обрабатываемых изделий 6, установленный на полом корпусе 4 высоковольтный ввод напряжения 7, генератор высоковольтных импульсов напряжения 8, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой 1, а отрицательным полюсом с высоковольтным вводом напряжения 7, в заявленном устройстве ускоряющая сетка 9 выполнена в виде набора плоскопараллельных металлических пластин 10, установленных внутри полого корпуса 4 на границе с вакуумной камерой 1 и соединенных электрически с высоковольтным вводом напряжения 7. Обращенные в сторону вакуумной камеры 1 участки 11 плоскопараллельных металлических пластин 10 имеют форму сегмента круга. На фиг. 1 и фиг. 2 показаны также плазма 12, слой объемного заряда 13 между плазмой 12 и стенками вакуумной камеры 1, слой 14 между плазмой 12 и плоскопараллельными металлическими пластинами 10, ионы 15, быстрые атомы 16 и торцы 17 плоскопараллельных металлических пластин 10.

Устройство для обработки изделий быстрыми атомами работает следующим образом.

Вакуумную камеру 1 и полый корпус 4 с закрепленными на съемном фланце-держателе 5 обрабатываемыми изделиями 6 откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее рабочий газ, например, азот и увеличивают давление в ней до - 0,1 Па. Включение источника питания разряда 3 инициирует тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов, и вакуумная камера 1 заполняется однородной плазмой 12, отделенной от стенок вакуумной камеры 1 слоем объемного заряда 13. После прогрева и очистки тлеющим разрядом с напряжением ~ 300 В и током до 3 А стенок вакуумной камеры 1 и плоскопараллельных металлических пластин 10 давление газа р уменьшают до ~ 0,01 Па и включают генератор высоковольтных импульсов напряжения 8. Ускоряемые в слое 14 между однородной плазмой 12 и плоскопараллельными металлическими пластинами 10 импульсом высокого напряжения, например, 50 кВ ионы 15 пролетают при давлении p=0,01 Па через зазоры между плоскопараллельными металлическими пластинами 10 без столкновений с молекулами газа. Однако из-за неоднородности электрического поля на торцах 17 плоскопараллельных металлических пластин 10 ионы 15 рассеиваются на малые углы, касаются поверхностей плоскопараллельных металлических пластин 10 и в результате превращаются в быстрые атомы 16, бомбардирующие обрабатываемые изделия 6. Ускоряемые плоскопараллельными металлическими пластинами 10 из однородной плазмы 12 ионы 15 превращаются в быстрые атомы 16 с энергией 50 кэВ, соответствующей амплитуде импульса напряжения 50 кВ.

Эффективной толщиной сетки в виде набора из плоскопараллельных металлических пластин 10 является их длина 15 см. По сравнению с плоской сеткой прототипа толщиной 0,2 см время ее распыления ионами в 15/0,2=75 раз больше. Это значительно повышает срок службы ускоряющей сетки и всего устройства. Быстрые атомы 16 распыляемых торцов 17 плоскопараллельных металлических пластин 10 поступают в вакуумную камеру 1, а вероятность их прохода через зазоры сетки длиной 15 см в полый корпус 4 с закрепленными на съемном фланце-держателе 5 обрабатываемыми изделиями 6 близка к нулю. Это предотвращает загрязнение обрабатываемых изделий 6 материалом сетки.

Так как участки 11 плоскопараллельных металлических пластин 10, обращенные в сторону вакуумной камеры 1, имеют форму сегмента круга, ионы 15 ускоряются из однородной плазмы 12 в направлении к центру этого круга. В результате с увеличением расстояния от слоя объемного заряда 14 ширина пучка ускоренных частиц снижается. Например, при высоте ускоряющей сетки 20 см и ширине 30 см пластин длиной 15 см ширину пучка быстрых атомов 16 можно уменьшить от 30 см до 2,5 см и подвергать имплантации одновременно до восьми обрабатываемых изделий 6 диаметром 2 см, установленных на фланце-держателе 5 в вертикальном ряду. Плотность потока быстрых атомов 16 и скорость имплантации азота повышаются при этом в 30/2,5=12 раз.

По сравнению с прототипом, формирующим пучок с плотностью потока быстрых атомов 16, равной плотности тока ионов 15 из плазменного эмиттера, заявляемое устройство позволяет на порядок повысить плотность потока быстрых атомов 16 и скорость обработки изделий. Уменьшение ширины сечения пучка быстрых атомов 16 до величины, соизмеримой с шириной обрабатываемых изделий 6, повышает эффективность использования быстрых атомов 16.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - расширения эксплуатационных возможностей за счет увеличения скорости обработки путем уменьшения поперечного сечения пучка быстрых атомов и повышения плотности их потока на обрабатываемые изделия, а также увеличения долговечности устройства путем замены плоской ускоряющей сетки толщиной 0,2 см, распыляемой ионами в течение 2 месяцев, сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин с эффективной толщиной 15 см, распыляемой ионами в течение 150 месяцев. Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и 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 обработки изделий быстрыми атомами с повышенной скоростью имплантации в поверхность изделий легирующих элементов;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в 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 критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к устройству для обработки изделий быстрыми атомами. Устройство содержит вакуумную камеру, установленный внутри вакуумной камеры анод, включенный между анодом и вакуумной камерой источник питания разряда, установленный на вакуумной камере полый корпус, установленный в торце полого корпуса съемный фланец-держатель обрабатываемых изделий, установленный на полом корпусе высоковольтный ввод напряжения, генератор высоковольтных импульсов напряжения, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с высоковольтным вводом напряжения. Устройство снабжено ускоряющей сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин, установленных внутри полого корпуса на границе с вакуумной камерой и соединенных электрически с высоковольтным вводом напряжения, причем обращенные в сторону вакуумной камеры участки плоскопараллельных металлических пластин имеют форму сегмента круга. Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей за счет увеличения скорости обработки путем уменьшения поперечного сечения пучка быстрых атомов и повышения плотности их потока на обрабатываемые изделия, а также увеличения долговечности устройства путем замены плоской ускоряющей сетки сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин. 2 ил.

Устройство для обработки изделий быстрыми атомами, содержащее вакуумную камеру, установленный внутри вакуумной камеры анод, включенный между анодом и вакуумной камерой источник питания разряда, установленный на вакуумной камере полый корпус, установленный в торце полого корпуса съемный фланец-держатель обрабатываемых изделий, установленный на полом корпусе высоковольтный ввод напряжения, генератор высоковольтных импульсов напряжения, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с высоковольтным вводом напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено ускоряющей сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин, установленных внутри полого корпуса на границе с вакуумной камерой и соединенных электрически с высоковольтным вводом напряжения, причем обращенные в сторону вакуумной камеры участки плоскопараллельных металлических пластин имеют форму сегмента круга.