Генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде Российский патент 2024 года по МПК H05H1/34 

Изобретение относится к области разработки генераторов газоразрядной плазмы, а точнее к созданию широкоапертурных плазменных источников потоков ионов на основе газовых разрядов с полым катодом. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в составе технологических источников плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в условиях вакуума, а также плазма-стимулированных технологиях атомно-слоевого осаждения и атомно-слоевого травления с использованием химически активных сред [US № 4756794. Atomic Layer Etching. Max N. Yoder, Falls Church, Va. 91133, 31/08/1987. Date of Patent 12/07/1988] материалов микро- и наноэлектроники.

Известно устройство для получения широкоапертурного потока низкоэнергетичных ионов на основе импульсно-периодического разряда с протяженным полым катодом, в котором в качестве эмиттера ионных потоков использован «плазменный лист, созданным с помощью ленточного электронного пучка [Патент RU 2722690 C1 03.06.2020. Заявка № 2019139000 от 29.11.2019. Устройство для получения широкоапертурного низкоэнергетичного потока ионов].

Недостатком данного устройства является небольшой диапазон управления энергией ионов в ионном потоке. Это связано с тем, что в данном устройстве энергия ионов привязана к средней энергии вторичных плазменных электронов в «плазменном листе», созданном ленточным электронным пучком.

Известно также [патент RU 2139590] устройство с катодным узлом, содержащий катодный узел, корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полость которого сообщена с внешним источником плазмообразующего вещества, и дополнительный электрод, размещенный внутри корпуса и электрически изолированный от него. Термоэмиссионный катод выполняется в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором, друг относительно друга при помощи расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов.

Недостатком данной конструкции является использование термоэмиссионного катода, что снижает ресурс источника по сравнению с устройством с холодным катодом.

Известно также техническое решение [патент CN 106531591 A], в котором многосекционный плазменный катод, содержит катодную трубку из тугоплавкого металла, в которой размещены многочисленные металлические излучатели в виде металлических стержней или трубок, расположенных параллельно друг другу, соприкасающиеся между собой и стенкой катодной трубки и образующие воздушные полости между ними. Вследствие увеличения площади эмиссии, не нужен внешний нагреватель, внутрь вводится определенный поток газового рабочего тела, снаружи подается определенное высокое напряжение и за счет прямого зажигания может выделяться ток электронов.

К недостаткам данного технического решения можно отнести то, что такая конструкция не является оптимальной, так как требует внесения в катодную полость дополнительных элементов, что усложняет конструкцию и технологию сборки. Полый катод должен иметь определенное соотношение длины полости к его диаметру, для реализации режима, при котором плазма будет проникнуть внутрь полостей и образовать в них прикатодный барьер [Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, - М.: Энергия, 1969; Райзер Ю.П., Физика газового разряда, - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009]. Технической проблемой также является то, что выход катода из многосекционного режима существенно снижает эффективность его работы, повышает потери энергии на ионизацию рабочего тела и снижает ресурс конструкции. Недостатком таких конструкций является отсутствие системы охлаждения катода, что приводит к быстрой деградации его поверхности при больших токах отбора.

Из известных генераторов плазмы наиболее близким устройством по технической сущности является ВЧ генератор плазмы на основе полого катода, раскрываемый в патенте US US 20110192348 A1. Источник плазмы с полым ВЧ-катодом состоит из вакуумной камеры, полого катода, как минимум двух отсеков, трубопровода и входных электродов. В камеру вставлена труба для подачи в камеру рабочего газа. Полый катод расположен в камере и имеет большое количество отверстий. Под полым катодом расположены по меньшей мере два отсека. В каждом из отсеков имеются малые отверстия для равномерного распределения рабочего газа в отверстия полого катода. Трубопровод расположен вдоль двух сторон полого катода для циркуляции охлаждающей воды вокруг полого катода.

Недостатком данного технического решения является то, что трубопровод расположен вокруг полого катода, что приводит к недостаточному отводу тепла и к быстрой деградации его поверхности при больших токах отбора.

Целью данного изобретения является изготовление многосекционного полого катода из нержавеющей стали в виде единой цельной конструкции, позволяющей избежать избыточного электрического контактного сопротивления, снизить потери и обеспечить на данном участке целостность электрической цепи, что позволит решить повышения ресурса и стойкости в условиях действия химически активных газов и ионной бомбардировки.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается созданием генератора высокочастотной плазмы, вмонтированной в плазменный реактор из нержавеющей стали, и состоящего из съемного многосекционного полого катода, который содержит переднюю и заднюю стенки, соединенных между собой металлической трубой, стенки содержат ряд отверстий, сквозь которые продеты металлические трубки для создания полостей, а также две трубки для прокачивания охлаждающей жидкости. Внутренняя полость цилиндра прокачивается дистиллированной, деионизованной водой или же маслом, в зависимости от применяемого насоса охладителя. Трубки охлаждения полого катода подсоединяются к высокочастотному генератору 13,56 МГц через согласующее устройство и системе прокачки теплоносителя через металлические резьбовые фитинги с уплотняющим кольцом из металла, которые дают возможность смены катода, при его порче или необходимости изменения режима работы. Полый катод отделен от заземленной вакуумной камеры диэлектрическим кольцом.

Для пояснения изобретения ниже приводиться конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде в 3D-формате: 1 - вакуумная камера, 2 - полый катод, 3 - трубка ввода рабочего газа, 4 - диэлектрическое кольцо из вакуумной керамики, 5 - полости катода, 6 - трубопроводы, 7 - входная трубка, 8 - выходная трубка, 9 - пластиковая трубка, 10-12 - фланцы, 13 - коннекторы.

Фиг. 2 - изображает схему многосекционного полого катода.

Фиг. 3 - изображает характерную фотографию ВЧ-разряда с трехсекционным полым катодом в поперечном сечении.

Фиг. 4 - изображает зависимость ионного тока насыщения зонда от поглощенной мощности в ВЧ-разряде в Ar давление 0,7 Тор.

Генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде работает следующим образом. Предварительно газоразрядная система откачивается до остаточных давлений газа около 10^-6 Тор. Через трубку подачи рабочего газа 3 передается рабочий газа в вакуумную камеру. Охлаждающая вода циркулирует из входной трубки 7 через трубопровод 6 к выходной трубке 8 и охлаждает полый катод 2. Таким образом, источник высокочастотного питания может работать на высокой мощности для генерации плазмы высокой плотности без риска перегрева. Трубопроводы 6 электрически соединены с полым катодом 2 и через диэлектрическое кольцо изолируются от вакуумной камеры. Трубопроводы 6 служат для подачи переменного напряжения от высокочастотного генератора 13,56 МГц через согласующее устройство. Таким образом, плазма равномерно генерируется в отверстиях 5 полости катода 2 при включении источника высокочастотного питания.

На фиг. 3 приведена характерная фотография ВЧ разряда с трехсекционным полым катодом в поперечном сечении.

На фиг. 4 показана зависимость ионного тока насыщения двойного электрического зонда, помещенного в ВЧ плазмы, от поглощенной плазмой мощности ВЧ генератора. Видно, что ионный ток насыщения при всех давлениях линейно растет при увеличении мощности.

Данные измерения выполнены в плазме ВЧ-разряда в аргоне с трехсекционным полым катодом при давлении газа 0,7 Тор и полной поглощенной плазмой мощности до 100 Вт. Измеренные значения концентрации электронов плазмы составляет величину порядка 10¹⁷ м^-3, а энергия электронов около 3 эВ, что примерно соответствует параметрам плазмы безэлектродного индукционного разряда.

Таким образом, генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде демонстрирует несколько преимуществ. Во-первых, равномерное распределения рабочего газа через полый катод, что обеспечивает равномерное распределение заряженных частиц на выходе генератора плазмы. Во-вторых, имеется два входных силовых вывода 6 к полому катоду 2 для снижения воздействия интерференции волн, таким образом, источник плазмы с полым многосекционным катодом может работать на различных радиочастотах, а также улучшаются плотность и однородность плазмы. В-третьих, трубопроводы 6 обеспечивают высокий расход охлаждающей воды, для эффективного охлаждения многосекционного полого катода. Источник плазмы может работать на высокой мощности в течение длительного времени.

Технико-экономический эффект изобретения. Предложенное конструкционное решение генератора высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде по сравнению с лучшими образцами аналогичного оборудования позволяет устранить такие технические проблемы как низкая эффективность работы многосекционного плазменного катода, а также низкий ресурс конструкции катода в химически активных средах.

Данное техническое решение позволяет также решить проблему работы устройства в химически активных средах. Современные методы микроэлектроники такие как плазменно-стимулированное атомно-слоевого осаждение (ПСАСО) и плазменное атомно-слоевое травление (ПАСТ) требуют, чтобы источники ионов могли длительное время работать при наличии в рабочем объеме химически активных газов: кислорода, азота, триметиалюминия (ТМА) и других химически активных прекурсоров.

Данные технические проблемы решаются тем, что согласно фиг. 1, 2, генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде включает вакуумную камеру 1, полый катод 2, трубка ввода рабочего газа 3.

Полый катод 2 расположен в камере 1 и электрически изолированы от него диэлектрическим кольцом 4. Полый катод 2 изготовлен в виде полого цилиндра из нержавеющей стали, с продетыми сквозь него тремя или более трубками 5. Диаметр трубок рассчитывается исходя из расчетов длины свободного пробега электронов и толщины катодного слоя в отверстиях полого катода в зависимости от давления буферного газа в технологических процессах. Внутренняя полость цилиндра прокачивается дистиллированной, деионизованной водой или же маслом, в зависимости от применяемой системы прокачки теплоносителя через два трубопровода 6 расположенных на верхней грани полого катода 2. Концы каждого трубопровода соединены соответственно с входной трубкой 7 и выходной трубкой 8. В разрыв металлических трубок охлаждения 7, 8 вставлены пластиковые трубки 9 для гальванической развязки электрода под высоким потенциалом и системы прокачки теплоносителя. Переменное напряжение от высокочастотного генератора 13,56 МГц через согласующее устройство подается на полый катод 2 через металлические трубки охлаждения 6, соединенные с фланцем 10. При помощи диэлектрической вставки 4 между фланцами 11 и 12 корпус генератора 1 изолирован от катода 2, который является вторым электродом в этой системе электродов. Благодаря коннекторам 13 между фланцем 10 и катодом 2, есть возможность смены катода, при его порче или необходимости изменения режима работы.

Изобретение относится к области разработки генераторов газоразрядной плазмы, а точнее к созданию широкоапертурных плазменных источников потоков ионов на основе газовых разрядов с полым катодом. Технический результат - повышение эффективности работы многосекционного плазменного катода и ресурса конструкции катода в химически активных средах. Генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде содержит заземленную вакуумную камеру, многосекционный полый катод, расположенный в вакуумной камере, выполненный с количеством отверстий больше одного и соединенный с вакуумной камерой через диэлектрическое кольцо, вставленную в камеру трубку для подачи в камеру рабочего газа. Трубки для подачи переменного напряжения одновременно служат в качестве трубопроводов для подачи охлаждающей жидкости; охлаждающая жидкость циркулирует внутри полости катода; трубки охлаждения полого катода подсоединяются к высокочастотному генератору через металлические резьбовые фитинги с уплотняющим кольцом из металла. 4 ил.

Генератор высокочастотной плазмы на многосекционном полом катоде, содержащий заземленную вакуумную камеру, многосекционный полый катод, расположенный в вакуумной камере, выполненный с количеством отверстий больше одного и соединенный с вакуумной камерой через диэлектрическое кольцо, вставленную в камеру трубку для подачи в камеру рабочего газа;

два трубопровода, расположенные на одной из сторон многосекционного полого катода, для циркуляции охлаждающей воды внутри полого катода;

отличающийся тем, что трубки для подачи переменного напряжения одновременно служат в качестве трубопроводов для подачи охлаждающей жидкости; охлаждающая жидкость циркулирует внутри полости катода; трубки охлаждения полого катода подсоединяются к высокочастотному генератору через металлические резьбовые фитинги с уплотняющим кольцом из металла.