Форвакуумный источник газометаллических ионов

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, и может быть использовано в электроннолучевой технологии, плазменной технике и плазмохимии, а также в устройствах для изучения масс-зарядового состава газометаллической плазмы. Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве для получения газометаллических ионов, которое содержит испаряемый металл, источник электронного пучка и рабочую камеру, испаряемый металл расположен внутри цилиндрического полого танталового тигля с отверстием в его торце. Источник электронного пучка не содержит накаливаемых элементов, снабжен фокусирующей системой и расположен так, что его ось перпендикулярна оси тигля, а создаваемый источником пучок электронов одновременно нагревает тигель и ионизует нейтральные частицы газа и испаряющиеся из отверстия в тигле атомы металла. К боковой поверхности тигля параллельно осям тигля и источника электронного пучка прикреплена плоская пластина шириной D, определяемой соотношением d<D<2d, где d - диаметр тигля. Эта пластина выступает за торец тигля с отверстием на расстояние l, определяемое соотношением h/4<l<3h/4, где h - длина тигля. Пластина поддерживается под положительным относительно стенок рабочей камеры потенциалом 10-100 В, и в рабочей камере создано давление газа 2-20 Па. Выполнение совокупности указанных признаков позволяет достичь цели изобретения - эффективности использования рабочего вещества. Указанная цель достигается за счет ионизации атомов газа и испаряемого металла не только ускоренным электронным пучком, но и электронами пучковой газометаллической плазмы. Сущность изобретения иллюстрируется чертежом (см. Фиг. 1).

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники и может быть использовано в плазмохимии, для нанесения пленок на подложки, травления и обработки полимеров, а также в установках для изучения масс-зарядового состава пучковой газометаллической плазмы.

Известно устройство [1] для генерации газометаллических ионов в непрерывном режиме на основе разряда в ячейке Пеннинга, включающее в себя рабочую камеру, ячейку Пеннинга, состоящую из кольцевого катода и помещенного в магнитное поле кольцевого анода. В устройстве ячейка Пеннинга расположена между распыляемой мишенью и ускоряющим электродом, на котором укреплены обрабатываемые подложки. Принцип работы устройства заключается в следующем. После создания вакуума в рабочей камере порядка 0,01 Па в ионный источник подается газ для ионизации в скрещенных магнитных и электрических полях (разряд Пеннинга). Газовые ионы низкотемпературной плазмы вытягиваются потенциалом металлической мишени (1,2 кВ) и производят катодное распыление ее материала. Ионы газа и металла из полученной газометаллической плазмы при подаче ускоряющего напряжения бомбардируют подложку с находящимися на ней образцами. К недостаткам устройства можно отнести низкую эффективность использования рабочего вещества из-за перехвата бомбардирующих мишень ионов полем ускоряющего электрода.

Известно устройство (патент США US 6238537 В1), содержащее спиральный заземленный термокатод, расположенный между подложкой и кольцевым анодом. Анод помещен в магнитное поле, внутри анода располагается круглая заземленная металлическая мишень, с поверхности которой распыляются атомы металла. В этом устройстве поток газометаллических ионов извлекается из плазмы разряда между кольцевым анодом, обладающим положительным относительно земли потенциалом и помещенным в магнитное поле, и термокатодом. Электроны, эмитированные термокатодом, движутся по направлению к аноду, вызывая ударную ионизацию рабочего газа и формируя тем самым газовую плазму в области анода. Магнитное поле служит для удерживания электронов в разрядной области с целью повышения степени ионизации. Ионы газа из плазмы разряда ускоряются разностью потенциалов между анодом и мишенью, бомбардируют мишень, вызывая распыление ее материала. Распыленные атомы мишени оказываются в области разряда, ионизуются электронами разряда, и вместе с ионами газа, минуя термокатод, движутся по направлению к подложке, расположенной напротив мишени. Подложка может быть заземлена или находиться под отрицательным потенциалом относительно анода. Недостатком устройства является расположение подложки напротив распыляемой мишени. С учетом того, что в рабочей камере, ввиду наличия накаливаемого элемента - термокатода, необходимо поддерживать высокий вакуум, длина свободного пробега распыленных атомов с мишени будет многократно превосходить расстояние между подложкой и мишенью. Это приведет к тому, что большую часть осаждаемых на подложку частиц составят нейтральные атомы мишени, которые не успели ионизоваться в разрядной области. Указанный недостаток снижает эффективность получения газометаллических ионов и, следовательно, снижает эффективность использования рабочего вещества. Кроме того, наличие накаливаемого катода приводит к выходу его из строя из-за усиленной бомбардировки ионизованными атомами - как газа, так и распыленного металла, что приводит к необходимости развакууммирования и замены катода. К недостаткам устройства следует также отнести расположение термокатода между мишенью и подложкой, в результате чего часть потока газометаллических ионов будет перехватываться термокатодом и оседать на нем, снижая тем самым как долю газометаллических ионов, попадающих на подложку, так и срок службы термокатода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство [2], содержащее рабочую камеру, давление газа в которой может быть понижено вплоть до 10 ^-10 мм. рт. ст., источник ускоренного до 45 кэВ электронного пучка на основе термокатода, а также стержень из испаряемого металла, расположенный под пучком соосно с источником электронного пучка. Формируемый источником электронный пучок нагревает металл до его испарения, в результате чего вблизи облучаемой пучком поверхности стержня образуется облако металлического пара. Электроны пучка соударяются с атомами испаренного металла и образуют в результате ударной ионизации металлическую плазму. Ионный поток на образец из полученной плазмы извлекается разностью потенциалов между образцом и металлическим стержнем. В описанном устройстве величина ионного потока зависит исключительно от мощности источника электронного пучка, поэтому недостатком устройства является необходимость повышения мощности источника электронного пучка для обеспечения требуемой скорости испарения рабочего вещества и, следовательно, высокой концентрации пучковой металлической плазмы. Ввиду того, что в устройстве используется источник электронов на основе термокатода, это накладывает существенные ограничения на состав газовой атмосферы и область рабочих давлений в рабочей камере (не выше 0,01 Па). Из-за столь низких давлений, ионизация паров металла и остаточной атмосферы будет происходить исключительно в области, ограниченной поперечным сечением пучка, в то время как испаряемые атомы металла занимают существенно больший объем, что значительно снижает эффективность использования рабочего вещества.

Цель заявляемого технического решения состоит в повышении эффективности использования рабочего вещества за счет ионизации атомов газа и испаряемого металла не только ускоренным электронным пучком, но и электронами пучковой газометаллической плазмы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, включающем содержащую испаряемый металл рабочую камеру, источник электронного пучка, размещенный на фланце рабочей камеры, испаряемый металл расположен внутри цилиндрического полого танталового тигля с отверстием в его торце, источник электронного пучка не содержит накаливаемых элементов, снабжен фокусирующей системой и расположен так, что его ось перпендикулярна оси тигля, а создаваемый источником пучок электронов одновременно нагревает тигель и ионизует нейтральные частицы газа и испаряющиеся из отверстия в тигле атомы металла, к боковой поверхности тигля параллельно осям тигля и источника электронного пучка прикреплена плоская пластина шириной D, определяемой соотношением d<D<2d, где d - диаметр тигля, пластина выступает за торец тигля с отверстием на расстояние l, определяемое соотношением h/4<l<3h/4, где h - длина тигля, пластина поддерживается под положительным относительно стенок рабочей камеры потенциалом 10-100 В, и в рабочей камере создано давление газа 2-20 Па.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение ионного тока газометаллических ионов в потоке частиц, направленном в сторону принимающей ионы поверхности, при одинаковых всех прочих параметрах источника электронного пучка. Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг. 3, и заключается в следующем.

На верхнем фланце рабочей камеры 1, откачиваемой механическим форвакуумным насосом до давления 2-20 Па, установлен плазменный источник 2 электронного пучка на основе разряда с полым катодом. Источник не содержит накаливаемых элементов, и это позволяет использовать его в окислительной атмосфере. В рабочей камере размещен полый цилиндрический танталовый тигель 3, в одном из торцов которого имеется отверстие диаметром 0,5-2 мм. Ось тигля перпендикулярна оси источника электронного пучка. Внутри тигля находится испаряемый металл. К боковой поверхности тигля параллельно осям тигля и источника электронного пучка прикреплена плоская металлическая пластина 4, выступающая за торец тигля с отверстием так, чтобы отверстие в тигле оказалось между пластиной и поверхностью 8, на которую требуется извлекать ионный поток. Расстояние l, на которое край пластины выступает за торец тигля с отверстием, определяется соотношением hl4<l<3hl4, где h - длина тигля. Указанные соотношения важны для достижения цели изобретения. Если l<h/4, то формируемый ионный поток в направлении, определяемой ориентацией пластины, будет в высокой степени расходящимся. Значение l>3h/4 является неоправданным в силу значительного уменьшения концентрации газометаллической плазмы с расстоянием. Ширина D пластины определяется соотношением d<D<2d, где d - диаметр тигля. Указанные соотношения для ширины D пластины выбраны из таких же соображений, что и для расстояния l. На пластину подается положительный относительно заземленной поверхности потенциал, сама же принимающая ионы поверхность прикреплена на расстоянии 5-10 см от пластины параллельно ее поверхности. Пластина служит для отделения газометаллических ионов от нейтральных частиц и формирования потока этих ионов в направлении, перпендикулярном ее поверхности. Поверхность, принимающая ионы, и стенки камеры могут быть заземлены. Отличие от прототипа состоит в наличии дополнительных элементов - содержащего испаряемый металл полого цилиндрического танталового тигля с отверстием, прикрепленной к торцу тигля с отверстием металлической пластины, и во взаимном расположении этих элементов. Кроме этого, источник электронного пучка не содержит накаливаемых элементов и снабжен фокусирующей системой.

Устройство работает следующим образом.

По достижении в рабочей камере давления 2-20 Па включается плазменный источник 2 электронного пучка. Сфокусированный электронный пучок 5, формируемый источником 2, частично попадает на тигель 3, нагревает его и испаряет находящийся в тигле металл. Часть пучка, не попадающая на тигель, распространяясь вблизи отверстия в тигле, в результате неупругих соударений с молекулами газа и атомами испаренного металла создает газометаллическую плазму 6. Ввиду повышенного давления рабочего газа, концентрация электронов в такой плазме будет многократно превышать концентрацию быстрых электронов пучка, благодаря чему ионизация газа и пара металла в результате столкновения с плазменными электронами будет происходить во всем объеме, занятом плазмой, причем со скоростью, сравнимой со скоростью ионизации, обусловленной исключительно воздействием быстрых пучковых электронов. Для получения потока ионов, направленного в сторону принимающей поверхности 8, между пластиной 4 и этой поверхностью необходимо приложить разность потенциалов. Энергия ионов определяется абсолютным значением разности потенциалов и может быть в диапазоне (10-100 В). Нижний предел энергии ионов определяется величиной, достаточной для «щадящей» обработки, например, полимерных образцов, верхний предел зависит от давления газа и расстояния между пластиной и подложкой и ограничен возможностью пробоя газового промежутка.

Результаты, представленные в таблице, иллюстрируют положительный эффект, присущий заявляемому техническому решению, а именно, возрастание эффективности по току при извлечении ионов металлов из пучковой газометаллической плазмы при использовании заявляемого технического решения в сравнении с прототипом, согласно данным, опубликованным в [2]. Параметры эксперимента - давление в рабочей камере 8 Па (воздух), ток пучка 10 мА, энергия пучка 7 кэВ, испаряемый металл - медь, масса испаренной меди - 10 мг, диаметр принимающей ионы металла поверхности - 5 см.

Плотность тока ионов металла на принимающую поверхность оценивалось по формуле Бома с учетом экспериментально измеренных параметров газометаллической пучковой плазмы - температуры электронов 1 эВ и концентрации 5·10⁹ см^-3 , а также согласно методике оценки вклада в выход ионизации тепловых электронов плазмы, подробно изложенной в [3]:

,

где n_ic_u - концентрация металлической плазмы, е - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, T_e - температура электронов, M_iCu - масса иона меди.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:

1. Трение и модифицирование материалов трибосистем / Ю.К. Машков, К.Н. Полещенко, С.Н. Поворознюк, П.В. Орлов. - М: Наука, 2000. - 280 с.

2. Krimmel E.F. Strong Ion Source for Ions from Solids // Rew. Sci. Instrum. - 1966. - Vol. 37, 5. - P. 678-679. - DOI: 10.1063/1.1720291.

3. Левитский С.М. Сборник задач и расчетов по физической электронике: учебное пособие для вузов. - Киев: Издательство Киевского университета, 1964. - 209 с.

Устройство для генерации ионов металла и газа, включающее содержащую испаряемый металл рабочую камеру, источник электронного пучка, размещенный на фланце рабочей камеры, отличающееся тем, что испаряемый металл расположен внутри цилиндрического полого танталового тигля с отверстием в его торце, источник электронного пучка не содержит накаливаемых элементов, снабжен фокусирующей системой и расположен так, что его ось перпендикулярна оси тигля, а создаваемый источником пучок электронов одновременно нагревает тигель и ионизует нейтральные частицы газа и испаряющиеся из отверстия в тигле атомы металла, к боковой поверхности тигля параллельно осям тигля и источника электронного пучка прикреплена плоская пластина шириной D, определяемой соотношением d<D<2d, где d - диаметр тигля, пластина выступает за торец тигля с отверстием на расстояние l, определяемое соотношением h/4<l<3h/4, где h - длина тигля, пластина поддерживается под положительным относительно стенок рабочей камеры потенциалом 10 - 100 В, и в рабочей камере создано давление газа 2-20 Па.

РИСУНКИ