Устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы
Полезная модель относится к получению однородно-распределенной низкотемпературной плазмы инертных и реакционных газов в больших вакуумных объемах технологических установок. Устройство содержит вакуумную камеру - анод, полый катод, разделенный переборкой с отверстием и вспомогательный анод, примыкающий к полому катоду со стороны, ограниченной переборкой с отверстием. Устройство позволяет повысить эффективность генерации низкотемпературной газовой плазмы в широком диапазоне давлений от 10-4 Pa до 104 Pa. 1 п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к технике получения однородно-распределенной низкотемпературной плазмы инертных и реакционных газов в больших вакуумных объемах технологических установок и может быть использована в ионно-плазменных технологиях очистки, активации, травления, ионно-плазменного легирования поверхности изделий перед напылением покрытий, плазменно-иммерсионной имплантации, ионно-плазменного ассистирования в процессе напыления покрытий.
Для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы в больших объемах наиболее часто используются тлеющий и высокочастотный разряды. Однако в технологиях обработки изделий значительных размеров с использованием рабочих вакуумных камер больших размеров такие разряды имеют ряд недостатков, которые снижают эффективность их применения. Во-первых, повышенное давление существования тлеющего разряда (1-15 Па) приводит к образованию на обрабатываемой поверхности изделий слоя окислов и загрязнений из атмосферы остаточных газов, а вследствие низких значений плотности и температуры заряженных частиц плазмы тлеющего разряда процессы очистки, травления, азотирования и т.д. происходят неэффективно. Во-вторых, использование тлеющего разряда предполагает применение высоких потенциалов (1-2 кВ), что является опасным фактором для жизни обслуживающего персонала и усложняет схемы электропитания установок.
Использование высокочастотного разряда в технологиях ионно-плазменной обработки в больших вакуумных объемах также имеет ограничения, вследствие низкого КПД и высоких энергетических затрат для получения плазмы необходимой плотности, сложности оборудования и техпроцесса, наличия сильных электромагнитных полей, представляющих опасность для жизнедеятельности человека.
Известно устройство несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом для широкоапертурных ионных источников [А.В.Визирь, Е.М.Окс, П.М.Щанин, Г.Ю.Юшков // Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоаппертурных ионных источников. Журнал технической физики, 1997, том 67, 
6, стр.72-31]. Данное устройство состоит из двух основных узлов: разрядного промежутка основного разряда и плазменного эмиттера электронов. Разрядный промежуток основного разряда состоит из цилиндрического полого катода с размещенным внутри анодом в виде металлического стержня. Дополнительная инжекция электронов осуществляется за счет вспомогательного разряда, зажигаемого между дополнительным полым катодом, электрически изолированным от полого катода основного разрядного промежутка, и анодом основного разрядного промежутка. На боковых стенках катодов сделаны отверстия для обеспечения перепада давления и эффективной эмиссии электронов из плазмы вспомогательного разряда. Авторы статьи утверждают, что в широком диапазоне давлений (5
10-1-510-3 Па) вспомогательный разряд зажигался при напряжении 1-2 кВ. При давлении 510-3 Па и напряжении зажигания вспомогательного разряда 1-2 кВ, ток разряда составил 50 мА.
Основным недостатком этого устройства является высокое напряжение зажигания вспомогательного разряда, а также, малый диапазон рабочих давлений.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели аналогом, взятому за прототип, является устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы [Патент РФ 2116707, публ. 27.07.1998 г.]. В данном устройстве в качестве полого анода большого размера используется внутренняя поверхность вакуумной камеры, а в качестве катода - комбинированный катод, состоящий из термоэмиссионного катода и окружающего его полого цилиндрического катода, электрически соединенного с термоэмиссионным катодом. Вся конструкция комбинированного катода помещена в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры и охваченный соленоидом для создания в области комбинированного катода магнитного поля.
Как заявляют авторы этого изобретения и показали эксперименты по генерации плазмы в вакуумной камере - аноде объемом 0,25 м3 с использованием разработанного устройства при давлении рабочего газа аргона 10-1 Па и токе разряда 100 А была создана плазма со средним значением концентрации 10 10 см-3 и неоднородностью распределения по объему всей вакуумной камеры ±20% от среднего значения.
Устройство - прототип имеет очень низкий кпд, поскольку большой разрядный ток 100 А переносится по большей части медленными электронами, не способными ионизировать и даже возбуждать газ. Большие затраты энергии требуются также и для накала термоэмиссионного катода. Реальная же энергия, вкладываемая в плазму очень невелика.
Таким образом, задача разработки эффективного устройства для создания однородной низкотемпературной газоразрядной плазмы в вакуумных камерах больших объемов остается по-прежнему актуальной.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемой полезной моделью, является повышение эффективности генерации низкотемпературной газовой плазмы в широком диапазоне давлений от 10-4 Ра до 104 Ра в технологических вакуумных камерах, за счет инициирования тлеющим разрядом объемного разряда между полым катодом и рабочей камерой.
Указанный технический результат достигается тем, в устройстве для создания однородной низкотемпературной газоразрядной плазмы, содержащем как и прототип, вакуумную камеру - анод устройства, полый катод, помещенный в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры, в отличие от прототипа для создания области повышенного давления полый катод разделен переборкой с отверстием, а со стороны, ограниченной переборкой с отверстием, к нему примыкает вспомогательный анод.
В полом катоде предлагаемого устройства создается область повышенного давления, в которой между вспомогательным анодом и катодом зажигается самостоятельный тлеющий разряд, который в свою очередь инициирует объемный разряд между катодом и рабочей камерой.
На фиг. схематично представлен пример конструкции предложенного устройства для создания плазмы.
Устройство содержит вакуумную камеру 1 - анод устройства, полый катод 2, помещенный в расположенный на одной из стенок вакуумной камеры 1 цилиндрический корпус из немагнитного материала. Полый катод 2 разделен переборкой 3 с отверстием на две части: предъионизатор и основной катод. В предионизаторе размещен вспомогательный анод 4. Переборка 3 должна создавать минимально необходимый объем для организации вспомогательного разряда. Диаметр отверстия в переборке 3 должен оптимально подходить для создания перепада давлений и обеспечивать свободную эмиссию электронов в область основного разряда. Рабочий газ (аргон, азот и др.) с расходом 200-1000 см3ат/ч напускается в катодную полость - предъионизатор через отверстие 5. В рабочей камере 1 размещены обрабатываемые детали 6. Электропитание разряда осуществляется от источника 7.
Устройство для создания плазмы работает следующим образом. При подаче питания к катоду 2, постоянного напряжения (около 500 В) к разрядному промежутку и установлении напуска рабочего газа, в область полого катода, ограниченную переборкой 3 с отверстием (диаметром 4 мм) - в предъионизатор (V=3,8·10-6 м3), загорается тлеющий разряд с эффектом полого катода. Источником поля для этой области по большей части является вспомогательный анод 4 и разряд ограничен областью предъионизатора. Зажигание этого разряда при напряжении 500 вольт происходит уже при давлении в камере 10-4 мм.рт.ст. из-за того, что в области предъионизатора, ограниченной переборкой 3, образуется область повышенного давления, при котором загорается самостоятельный тлеющий разряд уже при напряжении ~ 500 В. При дальнейшем увеличении напряжения, количество быстрых электронов, попадающих через отверстие в переборке 3 в основной катод (V=1.6·10-5 м3 ), становится достаточным для инициирования разряда с полым катодом 2 и рабочей камерой 1. Напряжение падает до значения около 400 вольт из-за эффекта полого катода, и при его последующем увеличении происходит рост тока и концентрации плазмы в камере. В процессе работы плазменного источника не происходит распыление материала катода. Рабочий ток плазменного источника может достигать десятков ампер, причем при повышении тока, происходит линейное увеличение концентрации плазмы ввиду того, что основная часть электронов имеет достаточную энергию для ионизации молекул газа на всем промежутке катод-анод. Концентрация плазмы в камере при давлении 10-3 мм.рт.ст. достигает значений 1010-10 11 см-3.
Устройство обеспечивает стабильную работу в диапазоне давлений 10-2 Ра до 104 Ра и высокую однородностью генерируемой плазмы в вакуумных камерах больших объемов. Кроме того, при использовании данного устройства нарабатывается большая концентрация радикалов и атомов, что способствует эффективному протеканию плазмохимических реакций. Все это позволяет использовать устройство, как для модификации поверхности изделий (очистка, активация, травление, ионно-плазменное легирование), так и для осаждения покрытий на поверхность изделий из газовой фазы.
Устройство для создания однородной низкотемпературной газоразрядной плазмы, содержащее вакуумную камеру - анод устройства, полый катод, помещенный в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры, отличающееся тем, что для создания области повышенного давления полый катод разделен переборкой с отверстием, а со стороны, ограниченной переборкой с отверстием на предыонизатор и основной катод, в предыонизаторе размещен вспомогательный анод.
