Источник быстрых нейтральных частиц

Источник быстрых нейтральных частиц относится к области генерации потоков нейтральных частиц, предназначенных для модификации поверхности изделий различного назначения. Источник быстрых нейтральных частиц имеет анод, основной катод, состоящий из набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и дополнительный катод, представляющий собой полый катод, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом. Основной и дополнительный катоды образуют квазизамкнутый объем, внутри которого происходит горение газового разряда. Напуск газа осуществляется во внутренний объем источника через газораспределитель, газовая проводимость которого ниже, чем у впускного отверстия. В условиях постоянной откачки это позволяет создать перепад давления между внутренним объемом источника и технологической камерой. Техническим результатом является: снижение минимального рабочего давления источника, и возможность создания перепада давлений между областью горения газового разряда и технологической камерой при непрерывной откачке газа из технологической камеры, 3 иллюстрации.

Полезная модель относится к области генерации потоков нейтральных частиц для модификации поверхности изделий различного назначения и предназначена для установки в технологическую камеру вакуумной системы.

В настоящее время использование потоков быстрых нейтральных частиц является перспективным методом обработки поверхностей диэлектриков и полупроводников. В отличие от обработки ионными пучками, при использование пучков быстрых нейтральных молекул позволяет производить обработку диэлектриков и широкозонных полупроводников без компенсации тока пучка, поскольку не происходит возникновения потенциала на обрабатываемой поверхности, замедляющего дальнейшую обработку. Кроме того, при обработке быстрыми нейтральными частицами не происходит деградации поверхности из-за зарядовых эффектов.

Для формирования высококачественных структур необходимо производить обработку поверхности при низком давлении в технологической камере. Кроме того, снижение давления увеличивает расстояние, на котором происходит термализация потока частиц, что позволяет увеличить расстояние между источником быстрых нейтральных частиц и обрабатываемой поверхностью.

Известен источник быстрых нейтральных частиц [Григорьев C.H., Метель А.С., Мельник Ю.А., Панин В.В. Патент на изобретение 2373603 Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 20 ноября 2009 года], в котором генерация плазмы происходит в объеме полого катода, экстракция ионов с поверхности плазмы и их ускорение происходит с помощью эмиссионной сетки. Кроме того, источник содержит соленоид, обхватывающий катод, создающий магнитное поле, перпендикулярное плоскости эмиссионной сетки, служащий для увеличения отношения тока пучка к разрядному току. Недостатками данного источника являются сложность конструкции, требующая использования трех источников питания (питание разряда, подача напряжения на эмиссионную сетку и питание соленоида), малое отношение тока пучка к разрядному току (20-30%). Для нейтрализации ионов в данном источнике используются процесс резонансной перезарядки ионов при пролете от эмиссионной сетки до обрабатываемой поверхности. Резонансная перезарядка на молекулах нейтрального газа является случайным процессом, при этом средняя длина пробега ионов относительно данного процесса обратно пропорциональна давлению в области перезарядки. Кроме того, ввиду случайности процесса, он обеспечивает перезарядку лишь части ионов из потока частиц.

Например, при энергии ионов 2 кэВ и давлении в области перезарядки 1 Па средняя длина пробега ионов относительно процесса резонансной перезарядки составляет 3,34 см. В этом случае, при длине области нейтрализации 20 см, только около 0,25% ионов из общего числа не пройдут перезарядку, что является допустимой величиной в большинстве случаев. Однако, при уменьшении давления до 0,1 Па, длина свободного пробега возрастает до 33,4 см, и для перезарядки 95% ионов необходима область нейтрализации протяженностью более метра. Это обстоятельство затрудняет использование данного источника быстрых нейтралов при низком давлении.

Известен источник быстрых нейтральных частиц [Маишев Ю.П., Шевчук С.Л., Терентьев Ю.П., Кудря В.П. Патент на изобретение 2468465 Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 27 ноября 2012 года], в котором отсутствие ионов в потоке частиц достигается за счет использования сепаратора специальной формы, извлекающего ионы, не прошедшие перезарядку, из потока частиц. Недостатком данного источника является необходимость использования дополнительного источника питания для подачи напряжения на электроды сепаратора.

Общей чертой рассмотренных источников быстрых нейтральных частиц является то, что нейтрализация ускоренных ионов происходит в эквипотенциальном пространстве. Из-за этого перезарядившиеся и не перезарядившиеся ионы продолжают лететь вместе с равной энергией, для их разделения необходимы дополнительные устройства, такие как сепаратор, усложняющие конструкцию.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является источник быстрых нейтральных частиц, описанный в [Ионно-плазменные технологии в электронном производстве / В.Т. Барченко, Ю.А. Быстрое, Е.А. Колгин; Под ред. Ю.А. Быстрова. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2001. - 332 с.: ил.]. Данный источник состоит из трех электродов: анода, основного катода, представляющего собой набор плоскопараллельных пластин, и дополнительного плоского катода, расположенного перпендикулярно пластинам основного катода.

Анод источника заземляется, на основной и дополнительный катоды подается отрицательное напряжение с помощью двух различных источников питания. Для уменьшения распыления дополнительного катода, на него подается меньшее напряжение.

Система электродов носит открытый характер, однако за счет осцилляций электронов между основным и дополнительным катодами, плазма газового разряда концентрируется в пространстве между ними.

Образованные в плазме ионы ускоряются в катодном падении напряжения и перезаряжаются на поверхности катода и вблизи него. Данный источник быстрых нейтральных частиц обеспечивает отсутствие в выходном потоке частиц ионов с энергией большей энергии, определяемой анодным падением напряжения.

Вследствие открытого характера системы электродов, велика апертура потерь электронов, что ограничивает использование источника при низком давлении в технологической камере. Кроме того, открытая система не позволяет обеспечить перепада давления между технологической камерой и областью генерации плазмы.

Главными недостатками данного источника быстрых нейтральных частиц являются: высокое минимальное рабочее давление и невозможность создать значимый перепад давления между объемом источника и технологической камерой.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение рабочего давления в источнике быстрых нейтральных частиц, а также создание перепада давлений между объемом источника и технологической камерой.

Техническим результатом является: снижение минимального давления в источнике, при котором возможна его работа, а также, при непрерывной откачке газа из технологической камеры, возможность создания перепада давлений между объемом источника и технологической камерой.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в источнике быстрых нейтральных частиц, состоящем из основного катода, выполненного в виде набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и имеющего ввод, предназначенный для подключения к отрицательному полюсу источника питания, дополнительного катода, имеющего ввод для подключения к отрицательному полюсу другого источника питания, и анода, имеющего ввод для заземления, дополнительный катод представляет собой полый катод, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом, основной и дополнительный катоды образуют квазизамкнутый объем, дополнительный катод имеет отверстие, предназначенное для напуска газа, на одной из стенок дополнительного катода закреплен газораспределитель, имеющий вид пластины с отверстиями, суммарная газовая проводимость которых меньше газовой проводимости отверстия для напуска газа, при этом между газораспределителем и стенкой дополнительного катода имеется зазор.

В отличие от известных источников быстрых нейтральных частиц, предлагаемый источник обладает совокупностью следующих характеристик:

- в выходном потоке частиц отсутствуют ионы с энергией, превышающей энергию, определяемую анодным падением напряжения;

- возможна реализация перепада давления между объемом источника и технологической камерой при условии непрерывной откачки газа из технологической камеры.

Полезная модель поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена схема источника быстрых нейтральных частиц, а также фиг. 2 и фиг. 3, на которых представлены характеристики источника, разработанного по предлагаемой модели.

Предлагаемый источник быстрых нейтральных частиц состоит из трех электродов: анода 1, основного 2 и дополнительного 3 катодов. Основной катод 2 представляет собой набор параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга. Дополнительный катод 3 представляет собой полый катод, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом 2. Основной 2 и дополнительный 3 катоды соединены между собой таким образом, что образуют квазизамкнутый объем 4. Основной 2 и дополнительный 3 катоды имеют вводы 5 и 6 для подключения к источникам электрического питания, анод 1 имеет ввод 7 для заземления.

Устройство предназначено для установки в технологическую камеру вакуумной системы и работает следующим образом. Анод заземляется, на основной катод 2 подается отрицательное напряжение источника питания, а на дополнительный катод 3 подается отрицательное напряжение с другого источника питание. Возможность подать на дополнительный катод 3 меньшее напряжение, чем на основной катод 2 позволяет уменьшить распыление дополнительного катода 3.

Плазма газового разряда заполняет объем 4, образованный основным и дополнительным катодами. За счет осцилляций электронов в объеме 4, ограниченном основным 2 и дополнительным 3 катодами, и небольшой апертуры потерь, существенно увеличивается средняя длина пробега быстрых катодных электронов в объеме плазмы, уменьшается доля энергии, уносимая ими из области генерации плазмы. Это позволяет снизить напряжение горения газового разряда при неизменном давлении, или же снизить давление в области горения разряда при том же напряжении на нем.

Ионы, образованные в объеме плазмы 4, ускоряются в катодном падении напряжения и нейтрализуются за счет резонансной перезарядки на молекулах нейтрального газа, а также при отражении от пластин катода 2 в процессе упругого отражения с нейтрализацией.

За счет того, что нейтрализация ионов происходит в потенциальной яме, образованной возле катода 2, ионы, не перезарядившиеся в области катодного падения напряжения, при выходе из нее имеют низкие энергии, не превышающие величины, определяемой анодным падением напряжения. Таким образом, в выходном потоке частиц источника отсутствуют быстрые ионы.

Важной особенностью предлагаемого источника быстрых нейтралов является то, что напуск рабочего газа осуществляется в квазизамкнутый объем 4, образованный основным 2 и дополнительным 3 катодами. Поскольку основной катод 2 обладает сопротивлением протеканию газа, в условиях непрерывной откачки это позволяет создать разность давлений между внутренним объемом источника 4 и объемом технологической камеры 8. При этом давление в технологической камере 8 определяется давлением в газоразрядном объеме 4 источника быстрых нейтралов, а также скоростью откачки вакуумной системы. Таким образом, увеличивая скорость откачки, можно уменьшить давление в технологической камере 8, сохранив давление в газоразрядном объеме 4 источника на достаточно высоком для горения газового разряда уровне.

Для равномерного распределения концентрации газа, в полости 4, образованной дополнительным катодом, закреплен газораспределитель 9, представляющий собой металлическую пластину с отверстиями, электрически соединенную с дополнительным катодом. Пластина газораспределителя 9 закреплена на одной из сторон дополнительного катода, при этом между газораспределителем и стенкой дополнительного катода имеется зазор. Напуск рабочего газа осуществляется в зазор между газораспределителем 9 и стенкой дополнительного катода 3 через впускное отверстие 10, через отверстия газораспределителя 9 газ попадает во внутренний объем источника 4. Для обеспечения равномерности поступления газа, суммарная газовая проводимость отверстий газораспределителя 9 должна быть меньше проводимости впускного отверстия 10.

На фиг. 2 изображена зависимость напряжения горения разряда от давления при неизменном токе 60 мА, при давлении 2 Па напряжение горения разряда в источнике не превышает 1500 В.

На фиг. 3. изображена взаимосвязь между давлением в источнике и давлением в технологической камере. Данная взаимосвязь показывает возможность реализации перепада давления при использовании предлагаемого источника. Отношение между давлениями в источнике быстрых нейтральных частиц и в технологической камере может быть увеличено при использовании откачной системы большей производительности.

Источник быстрых нейтральных частиц, состоящий из основного катода, выполненного в виде набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и имеющего ввод, предназначенный для подключения к отрицательному полюсу источника питания, дополнительного катода, имеющего ввод для подключения к отрицательному полюсу другого источника питания, и анода, имеющего ввод для заземления, отличающийся тем, что дополнительный катод представляет собой полый катод, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с основным катодом, основной и дополнительный катоды образуют квазизамкнутый объем, дополнительный катод имеет отверстие, предназначенное для напуска газа, на одной из стенок дополнительного катода закреплен газораспределитель, имеющий вид пластины с отверстиями, суммарная газовая проводимость которых меньше газовой проводимости отверстия для напуска газа, при этом между газораспределителем и стенкой дополнительного катода имеется зазор.

РИСУНКИ