Устройство для модифицирования поверхности твердого тела
Предлагаемая полезная модель относится к технике вакуумной ионно-плазменной обработки и может применяться для формирования и модифицирования поверхности твердотельных материалов, используемых в различных технологических областях электроники.
Модифицирование поверхности с использованием прецизионного регулирования режимов напыления и ионной имплантации, наряду с управляемой обработкой поверхности высокоэнергетическим электронным пучком с большой плотностью тока обеспечивает устройство для модифицирования поверхности твердого тела, состоящее из вакуумной камеры, содержащей источник импульсной плазмы, источник электронов и мишень для обработки плазмой и электронным пучком, в котором в качестве источника импульсной плазмы используют вакуумный диод с взрывоэмиссионным катодом и сеточным анодом с линейными размерами L~10-3-10-1 м, диод помещают в вакуумную камеру, в качестве источника электронов используют взрывоэмиссионный катод, мишень, катод и анод устанавливают на съемных вакуумно изолированных высоковольтных вводах, при этом расстояние между катодом и анодом может иметь величину ~10-3-10 -2 м.
1 н.п.ф., 4 з.п.ф., 1 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к технике вакуумной ионно-плазменной обработки, и может применяться для формирования и модифицирования поверхности твердотельных материалов, используемых в различных технологических областях электроники.
Уровень техники представлен импульсным источником плазмы, работающим в импульсном режиме дугового разряда в вакууме, применяющийся в промышленном производстве (А.И.Маслов, Г.К.Дмитриев, Ю.Д.Чистяков. Импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей // Приборы и техника эксперимета. 1985, 
2, с.146-149). Устройство состоит из вакуумной камеры, в которой размещен источник плазмы импульсного дугового разряда в составе катода, поджигающего электрода и полого электрода, ускоряющего ионы. Напротив ускоряющего электрода, со стороны, противоположной области размещения катода, расположена мишень для напыления и ионной имплантации рабочего вещества. Для формирования геометрии ионного пучка между ускоряющим электродом и мишенью расположено электромагнитное устройство в виде соленоида. Настоящее устройство выбрано за прототип.
Данное устройство обладает рядом недостатков: для инициирования дугового разряда использован поджигающий электрод, действие которого основано на формировании искрового разряда вблизи рабочей поверхности катода. Ресурс такого поджигающего узла крайне ограничен. Это связано с интенсивной эрозией электродов и быстрым запылением поджигающего электрода материалом эродирующего катода. Кроме того, устройство не обладает достаточной степенью воспроизводимости параметров плазмы и точностью управления генерацией плазмы.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить: возможность эффективного и прецизионного модифицирования поверхности мишени в результате как совместного, так и раздельного воздействия на поверхность создаваемой импульсной плазмы, ионного пучка из плазмы и электронного тока с катода, которые могут быть созданы под воздействием внешнего электрического поля. При этом плотность сформированной у катода плазмы имеет значение 1016 -1021 см-3. Скорость разлета плазмы составляет величину 106 см/с. Амплитуда импульсного ионного тока из плазмы может достигать значения 1-102 А. Амплитуда импульсов электронного тока может составлять величину 1-10 3 А. Длительность импульсов ионного и электронного токов лежит в пределах 10-9-10-5 с. Эмиссионные и плазменные характеристики реализуются при использовании внешнего импульсного электрического поля, создаваемого импульсным напряжением 103-105 В. Использование указанных режимов позволяет проводить модифицирование поверхности с использованием прецизионного регулирования режимов напыления и ионной имплантации, наряду с управляемой обработкой поверхности высокоэнергетическим электронным пучком с большой плотностью тока.
Решение задачи обеспечивает устройство для модифицирования поверхности твердого тела, состоящее из вакуумной камеры, содержащей источник импульсной плазмы, источник электронов и мишень для обработки плазмой и электронным пучком, в котором источник импульсной плазмы выполнен в виде вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом и сеточным анодом с линейными размерами 10-3-10 -1 м, диод размещен в вакуумной камере, источник электронов выполнен в виде взрывоэмиссионного катода, мишень, катод и анод установлены на съемных вакуумно изолированных высоковольтных вводах, при этом расстояние между катодом и анодом имеет величину 10-3-10-2 м.
Рассмотрим, каким образом указанные отличия обеспечивают решение поставленной задачи.
Использование взрывоэмиссионного катода совместно с анодом в виде сетки, кольца или полого цилиндра обеспечивает, при подаче на диодную систему катод - анод высоковольтного импульса напряжения амплитудой 103-105 В и длительностью 10-9-10-5 с, инициирование искрового вакуумного разряда, приводящего к образованию прикатодной плазмы с указанными выше параметрами и протеканием взрывной электронной эмиссии, в процессе которой формируется импульсный электронный пучок в промежутке катод - анод. Амплитуда тока пучка 1-103 А. При этом анод находится под потенциалом земли, на катоде отрицательный потенциал. В этом случае режим работы устройства зависит от того, под каким потенциалом находится мишень. Возможны три основных варианта включения мишени:
Вариант первый - на мишени положительный потенциал, тогда электронный пучок будет проходить через прозрачный анод, дополнительно ускорятся в промежутке анод - мишень и, при попадании на мишень, обрабатывать ее поверхность. Этот процесс будет проходить до, тех пор, пока плазма разряда, которая имеет полусферический разлет от поверхности катода к аноду, не перемкнет промежуток катод - анод и электронный ток прекратится. Дальнейший разлет плазмы, в промежутке анод - мишень, приведет к ее взаимодействию с поверхностью мишени. Таким образом, второй цикл обработки мишени будет проходить, в основном, в процессе бомбардировки мишени ионами плазмы с энергией ионов 102 эВ.
Вариант второй - мишень находится под потенциалом земли. В этом случае режим обработки мишени отличается от первого варианта только в части отсутствия дополнительного ускорения электронного пучка в промежутке анод - мишень. Это, очевидно, приведет к менее интенсивной обработке мишени электронным пучком, по отношению к первому варианту. Интенсивность обработки плазмой в данном случае остается прежней, поскольку плазма квазинейтральна.
Вариант третий - мишень имеет отрицательный потенциал. В этом режиме интенсивность обработки мишени электронным пучком будет зависеть от величины отрицательного потенциала на мишени. Степень воздействия пучка может варьироваться от некоторого максимального, соответствующего энергии электронов, которую они приобрели в ускоряющем промежутке катод - анод (это для случая, когда отрицательный потенциал мишени близок к нулю) и до полного прекращения электронной бомбардировки (случай равенства абсолютных значений потенциалов катода и мишени). В этом случае плазма, выходя за пределы анода, выполняет функции источника ионного пучка, который будет ускоряться в промежутке анод - мишень и интенсивность обработки мишени ионным пучком будет расти с увеличением отрицательного потенциала на мишени.
На рисунке 1 представлена рабочая схема устройства, состоящего из вакуумной камеры (1), имеющая, как минимум три высоковольтных вакуумных ввода и систему вакуумной откачки до давления 10 -4-10-8 Торр. В вакуумной камере размещена вакуумная диодная система, состоящая из взрывоэмиссионного катода (2) и анода (3). За анодом (3), соосно с ним размещен ускоряющий электрод (4) с размещенной на нем мишенью (5).
Анод (3) и ускоряющий электрод (4) составляют электродную систему, ускоряющую ионы из плазмы (6), которые используются для обработки мишени, закрепленной на ускоряющем электроде. На диодную систему катод (2) - анод (3) подается высоковольтный импульс напряжения амплитудой 103-104 В и длительностью 10-9 -10-5 с.
Анод заземлен, на катоде отрицательный потенциал. В результате приложения импульса напряжения в диоде происходит импульсный вакуумный разряд с образованием у поверхности катода плотной плазмы (6). В результате полусферического разлета плазма подходит к аноду.
В зависимости от установленного режима включения внешнего электрического поля (режимы рассмотрены ранее), плазма либо проходит сквозь анод и воздействует на поверхность мишени при нулевом ускоряющем напряжении Ui=0 в системе анод (3) - ускоряющий электрод (4), либо за анодом формируется ионный пучок из плазмы на мишень, при ионном ускоряющем напряжении Ui<0 (на ускоряющем электроде отрицательный потенциал).
В случае, когда мишень расположена на аноде (3), возможна реализация режима обработки мишени плазмой без привлечения третьего электрода. При подаче импульсного напряжения на диод по указанной выше схеме происходит вакуумный разряд, в начальной стадии которого образуется прикатодная плазма с одновременным протеканием взрывной электронной эмиссии. Тогда процесс обработки мишени происходит в диодной системе при последовательном воздействии на ее поверхность сначала электронным пучком, сформированным в процессе взрывной электронной эмиссии, затем плазмой, имеющей значительно меньшую скорость разлета по отношению к электронному пучку
По конструкции предлагаемого устройства разработан и изготовлен действующий макет. Испытания макета показали его работоспособность и возможность прецизионного модифицирования поверхности материалов по структуре и элементному составу, что подтверждает соответствие предлагаемой полезной модели критерию "промышленная применимость".
1. Устройство для модифицирования поверхности твердого тела, состоящее из вакуумной камеры, содержащей источник импульсной плазмы, источник электронов и мишень для обработки плазмой и электронным пучком, отличающееся тем, что источник импульсной плазмы выполнен в виде вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом и сеточным анодом с линейными размерами 10-3-10 -1 м, источник электронов выполнен в виде взрывоэмиссионного катода, при этом мишень, катод и анод установлены соосно на съемных вакуумно изолированных высоковольтных вводах с расстоянием между катодом и анодом 10-3-10-2 м.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде плоского диска с центральным сквозным отверстием диаметром 10 -4-10-2 м соосно цилиндрическому взрывоэмиссионному катоду, а мишень находится на ускоряющем электроде, расположенном за анодом, противоположно катоду.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электронов выполнен в виде точечного катода.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источником электронов является катод, выполненный в виде стержня из металла, полупроводника или углеродного материала диаметром 10-4 -10-2 м.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде плоского диска, на котором располагают мишень.
