Устройство для ионно-лучевой обработки деталей Советский патент 1992 года по МПК C23C14/46 

Изобретение относится к ионно-плаз- менной технологии, а более точно к установ- кам для ионно-лучевой обработки поверхностей деталей в вакууме.

Цель изобретения - создание установки для ионно-лучевой обработки поверхности деталей, при которой осуществляется воздействие интенсивных монокинетических пучков низкой энергии за счет торможения ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем, создаваемым вблизи обрабатываемой поверхности.

Предложенная установка для ионно-лучевой обработки поверхности деталей, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен источник ионного потока, ориентированный на обрабатываемую поверхность, согласно изобретению, снабжена системой торможения ионного потока с замкнутым электронным дрейфовым током, содержащей экранирующий элемент с отверстием для прохождения ионного потока в зону обработки поверхности, и магнитную систему, выполненную в виде магнитного элемента, вектор намагниченности которого параллелен обрабатываемой поверхности закрепленной на нем детали,.при этом линия электронного дрейфового тока замкнута в направлении, по перечном направлению ионного потока.

Для поштучной обработки деталей целесообразно, чтобы магнит был бы выполнен из магнито-твердого материала в форме

XJ

СЛ

о

00

о

прямоугольной призмы, при этом узлы его крепления в вакуумной камере были бы размещены по меньшей мере, на одном из его магнитных полюсов.

Для групповой обработки деталей широким ионным потоком с целью повышения производительности процесса, при наличии магнитов болёё одного, каждый из них необходимо в ыполЛй ть кольцеобразной формы из магнито-тв ёр Його материала, при этом элементы должны быть установлены один относительно другого одноименными полюсами встречно.

Для получения высоких степеней торможения ионов магнит целесообразно выполнять из материала с высокой коэрцитивной силой, например из самарий- кобальтового сплава,

Сокращения частоты пробоев в системе торможения можно добиться, если экранирующий элемент выполнить в виде корпуса коробчатой формы, внутри которого установлен, по меньшей мере, один магнит, при этом отверстие для прохождения ионного потока должно быть выполнено в стенке, охватывающей обрабатываемую поверхность.

Воздействие магнитного поля системы торможения на работу источника ионного потока будет снижено, если экранирующий элемент будет выполнен из магнито-мягко- го ферромагнитного материала.

Для повышения стабильности работы устройства оно может быть снабжено эмиттером электронов, установленным между источником ионного потока и экранирующим элементом.

Предпочтительно снабдить установку источником постоянного тока, положительный полюс которого был бы подключен к магниту, а отрицательный полюс - к экранирующему элементу. Это позволяет регулировать степень торможения ионов.

Экранирующий элемент может быть заземлен, что стабилизирует работу установки.

Для совмещения во времени процесса нанесения материала покрытия и химических реакций на поверхности обрабатываемых деталей, например, целесообразно снабдить установку, по крайней мере, одним источником потока атомов материалов покрытия, ориентированным на обрабатываемую поверхность.

Установка ионно-лучевой обработки деталей за счет оснащения ее системой торможения ионного потока позволяет расширить технологические возможности ионно-лучевой технологии путем расширения рабочего диапазона по энергии ионов в сторону ее снижени я.

На фиг.1 изображена схема установки для ионно-плазменной обработки поверхности деталей; на фиг.2 - схема включения электродов системы торможения ионного потока при заземленном экранирующем элементе; на фиг.З - система торможения ионного потока при обработке индивиду0 альных деталей с экранирующим элементом

в виде корпуса; на фиг.4 и 5 - варианты

выполнения системы торможения ионного

потока с магнитами кольцеобразной формы.

Установка ионно-лучевой обработки де5 талей содержит размещенные в вакуумной камере 1 (фиг.1) источник 2 ионного потока и систему 3 торможения ионного потока с установленными в ней деталями 4. Система содержит экранирующий элемент 5, внутри

0 которого установлена магнитная система с магнитами 6, на которых закреплены детали 4. В стенке экранирующего элемента 5, обращенной к обрабатываемой поверхности деталей 4, выполнено отверстие 7 для про5 хождения ионного потока. Установка может содержать источник 8 постоянного тока, положительный полюс которого подключен к магниту б, а отрицательный полюс - к экрану 5. При отсутствии источника 8 тормозя0 щий электрод 6 будет под положительным по отношению к экранирующему электроду 5 потенциалом.

Кроме того, установка может быть снабжена эмиттером 9 электронов, установлен5 ным между источником 2 ионного потока и экранирующим элементом 5, а при использовании установки для нанесения на обрабатываемую поверхность покрытия в нее введены источники 10 потока атомов мате0 риалов покрытия, например, испарительного типа.

Магнит 6 в роли тормозящего электрода может быть выполнен из магнито-твердо- го материала в виде параллелепипеда. При

5 этом узлы крепления 11 размещены на его боковых поверхностях, являющихся магнитными полюсами, а линия 12 электронного дрейфового тока ортогональная вектору В индукции магнитного поля элемента и па0 раллельная обрабатываемой поверхности, замкнута. Условие замкнутости линии 12 электронного дрейфового тока соблюдается и при выполнении магнитов 6 кольцеобразной формы из магнито-твердого материала,

5 которые установлены один относительно другого одноименными магнитными полюсами встречно. Тормозящие электроды б могут быть выполнены или из материала с высокой коэрцитивной силой, например из самарий-кобальтового сплава (SmCoe), или

из диэлектрического магнитного материала, при этом он заключается в кожух 13 из электропроводного немагнитного материала.

Устройство, например, при ионном травлении кристаллов арсенида галлия работает следующим образом.

При достижении вакуума Па включается источник 2 ионного потока. Обычный уровень параметров потоков известных ионных источников: энергия ионов eU0 200 эВ, плотность ионного тока 1-2 мА/см ,

Однако для обработки кристаллов арсенида галлия требуется энергия ионов ниже 40 эВ при той же плотности ионного потока. Для этого на магнит 6 подается относительно экранирующего элемента 5 по- ложительный потенциал1 величиной ид(11о-40) В. В этом случае в области обрабатываемых деталей 4 возникают условия для существований электрического слоя (Е- слоя), в котором поддерживается электрическое поле, тормозящее ионы.

Как следует из физики разряда этого типа, поддержание электрического поля не вызывает большого электронного потока на обрабатываемую деталь 4 в том случае, если выполняется условие замыкания линии 12 дрейфового электронного тока

fExBi

-о-1,где пе - концентрация электронов, а

В

квадратные скобки выражают векторное произведение. Линии 12 этого тока совпадают с линиями, параллельными обрабатываемой поверхности и перпендикулярными вектору В. Направление скрещенных векторов и В, а также ортогонального им вектора показано на фиг.З, 4, 5.

Предложенные геометрии магнитных элементов обеспечивают условия замыкания линии 12 электронного дрейфового тока. Как показывают эксперименты, при уровне магнитной индукции В 0;05 Тл электронный ток может быть равен или даже меньше ионного при степени торможения ионов Ufl/U0 0,6-0,8. Это обеспечивает обработку деталей 4 потоком ионов с энергией, составляющей лишь 20-40% начальной, с которой они покидают источник 2 ионов.

В предложенных конструкциях уровень магнитной индукции может быть получен для размеров обрабатываемых деталей 4 50 мм, при использовании магнитных элементов из материала с большой коэрцитивной силой, в частности из сплавов редкоземельных металлов, например самарий-кобальта. Использование подобного магнитного материала исключает эффект размагничивания во внешнем магнитном поле, что важно для получения магнитного поля с требуемой топографией. Геометрические размеры L, H, h, AS определяются исходя из размеров деталей 4, а также из условия получения оптимальной топографии магнитного поля. Так, по мере

0Д5С

снижения величины -тт будет ухудшаться

однородность магнитного поля над поверхностью магнита б, что может приводить к неоднородности обработки и т.п.

5 Магнитная система может быть набрана из призматических магнитов 6, как это изображено на фиг.З, в том числе и из диэлектрического материала. В последнем случае для включения тормозящего электрода 6 в

0 цепь магнитные элементы необходимо заключить в кожух 14 из электропроводного материала. Важным усовершенствованием установки является введение эмиттера 9 электронов, которое позволяет контролиро5 вать баланс электронов в ионном потоке и потенциал вторичной плазмы, наведенной ионным пучком. Это позволяет ослабить эффект запирания пучка объемным зарядом ионов и при прочих равных условиях повы0 сить плотность ионного тока в зоне обработ- ки и стабильность работы.

Для реализации группы технологических процессов, связанных с получением плотных металлических слоев на диэлектри5 ческой подложке путем осаждения потока атомов металла при одновременной бомбардировке подложки потоком ионов низкой энергии необходимо ввести в установку источники 10 потока атомов материалов по0 крытия одного из известных типов, например испарительного типа. Как показали эксперименты, стабильность работы системы источник 2 потока ионов - система 3 торможения ионов зависит от баланса элек5 тронов в пучке, большую роль в котором играют вторичные электроны, образующиеся в объеме потока и на стенках вакуумной камеры 1. Скорость их образования зависит от рода рабочего газа и его давления в кзме0 ре 1. В зависимости от указанных условий может быть целесообразна как схема с плавающим потенциалом экранирующего электрода 5, при котором поток электронов из объема на электрод 5 автоматически опре5 деляется величиной ионного потока на этот же электрод 5, так и с заземленным экранирующим электродом 5 (фиг.2), когда поток электронов обусловлен не только стационарными, но и стохастическими условиями баланса.,

Для повышения стабильности работы установки путем снижения вероятности пробоев в системе 3 торможения целесообразно экранирующий элемент 5 выполнить в виде корпуса коробчатой формы. В этом случае внешняя, возбуждаемая потоком ионов в среде остаточного газа плазма не проникает в область крепления тормозящих электродов 6.

Изобретение позволяет расширить технологические возможности установки ион- но-плазменной обработки поверхности деталей за счет снижения нижнего уровня энергии ионов до 30-50 эВ, что позволяет осуществить новые технологии.

Формула изобретения

1. Устройство для ионно-лучевой обработки деталей, содержащее размещенные в вакуумной камере источник ионного потока, ориентированный на обрабатываемую поверхность детали, и узел крепления детали, электроизолированный от камеры, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей устройства за счет, снижения энергии ионного потока на обрабатываемой поверхности при сохранении его плотности, оно снабжено магнитной системой, состоящей по меньшей мере из одного постоянного магнита для установки на нем детали, формирующим замкнутое на обрабатываемой поверхности магнитное поле, вектор (М) намагниченности которого параллелен этой поверхности, а также снабжено экранирующим элементом, электрически изолированным от камеры и узла кр-епления и охватывающим узел крепления с деталью с образованием окна над обрабатываемой поверхностью детали.

2 Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, магнит выполнен из магнито- твердого материала, преимущественно из самарий-кобальта SmCoe.

3. Устройство по п.1. о т л и ч а ю щ е ес я тем, что магнит выполнен в форме прямоугольной призмы, причем узел крепления детали в камере размещен по меньшей мере на одном из его магнитных полюсов.

4.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что с целью повышения производительности за счет групповой обработки деталей, каждый магнит выполнен

кольцеобразной формы, а два любых соседних встречно намагничены.

5.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что экранирующий элемент выполнен коробчатой формы.

6. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что оно снабжено эмиттером электронов, установленным между источником ионного потока и экранирующим электродом.

7. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что оно снабжено источником постоянного напряжения, положительная клемма которого подключена к магнитной системе, а отрицательная - к экранирующему элементу.

8. Устройство по п.7, отличающее- с я тем, что экранирующий элемент заземлен,

9. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что оно снабжено по меньшей мере одним дополнительным источником ионного потока, ориентированным на обрабатываемую поверхность.

п

Ю

чг& $

Ю

Изобретение относится к ионно-плаз- менной технологии, а более точно - к установкам для ионно-лучевой обработки поверхности деталей в вакууме. Сущность изобретения заключена в следующем В об ласти закрепления детали в вакуумной камере создается зона торможения ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем вблизи обрабатываемой поверхности детали. Устройство дополнительно снабжается магнитом для установки детали и экраном, охватывающим узел закрепления детали и образующим над обрабатываемой поверхностью окно для прохождения ионного потока. Магнит выполняет роль тормозящего электрода с плавающим положительным потенциалом по отношению к экранирующему элементу, что обеспечивает условия для существо- ванияЕ-слоя, тормозящего ионы Устройство позволяет уменьшить нижний уровень энергии ионов до 30-50 эВ, что позволяет осуществить новые технологии. 1 с.п.ф., 8 з.п.ф., 5 ил. сл с

S, /7

raurSireirSiral

г I I I I II 11 11I . I

J/

(-/1

3

(-/1

Фиг2.

13

Фиг.З

Е

Фив 5