Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы

Изобретение относится к области получения направленных потоков низкотемпературной плазмы с большим током и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда через затянутое мелкоструктурной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, в которой установлен основной тонкопроволочный анод [4. E. Oks, A. Vizir, and G. Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998).]. В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами развивается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, из плазмы которого извлекаются ионы. Осциллирующие внутри катодной полости быстрые электроны обеспечивают генерацию однородной плазмы при очень низких давлениях газа.

Однако доля извлекаемых из плазмы ионов в этом случае невелика и составляет около 4% от тока разряда, поэтому его эффективность оказывается невысокой.

Известен источник ленточного электронного пучка (Патент США US 3831052А, МПК H01J 5/00, опубл. 20.08.1974.), содержащий цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка в полом катоде которого повышение однородности пучка достигается многократной осцилляцией электронов. Однако, наличие у катодной полости торцевых стенок вызывает различие в скорости образования ионно-электронных пар вблизи этих стенок и в остальной части полости. Это, в свою очередь, приводит к росту концентрации плазмы вблизи торцевых стенок полости и в наличии максимумов плотности тока по краям пучка.

Известен плазменный электронный источник ленточного пучка (Патент РФ, №2231164, С1, МПК Кл. H01J 37/077, опубл. 20.06.2004) в котором в полом катоде для увеличения равномерности распределения частиц в потоке плазмы внутренние торцевые стенки катодной полости закрыты пластинами термостойкого неорганического диэлектрика.

Однако конструкция устройства обладает рядом недостатков: необходимость перекрытия эмиссионного окна сеткой; наличия в конструкции устройства ускоряющего электрода.

Известен плазменный электронный источник (Патент РФ, №2215383, С1, МПК Кл. Н05Н 1/24, Н05Н 5/00, опубл. 27.10.2003), в котором соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым эмиссионной сеткой и ускоряющий электрод, между ускоряющим электродом и анодом размещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в центре, диаметр которого больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше отверстия в ускоряющем электроде.

Однако схема расположения электродов устройства требует для создания сильноточных потоков плазмы двух источников питания; усложняет конструкцию устройство введением между анодом и ускоряющим электродом диска из термостойкого материала.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению (Патент РФ, №2333619, С2, МПК Кл. Н05Н 1/24, 2006.01, опубл. 10.09.2008, Бюл. №25), содержащем полый катод с прикрепленным основанием, установленный коаксиально в полый анод, изоляцию между анодом и катодом, соосные отверстия одинакового размера и формы в катоде, аноде и изоляции.

Однако схема расположения отверстий одинакового размера и формы в корпусах катода и анода, не позволяет создавать широкоаппертурный поток плазмы с равномерным распределением частиц плазмы по его сечению.

В основу поставлена задача генерирования газоразрядным устройством широкоаппертурного потока плазмы с равномерным распределением частиц по сечению потока при одновременном увеличении тока газоразрядной плазмы, снижении напряжения на электродах газоразрядного устройства и упрощении его конструкции и эксплуатации.

Указанная задача достигается за счет того, что в генераторе широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы, содержащим полый катод с основанием, установленный коаксиально в полую изоляцию, расположенную между полым анодом и полым катодом, полый анод с основанием закрыт крышкой, согласно изобретения высота полости полого катода определена соотношением 3λ<L<5λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы, основания анода и катода выполнены перфорированными, толщина изоляции между полым анодом и полым катодом определена соотношением 0,5d<h<d, где d - диаметр соосно расположенных отверстий в основаниях анода и катода, причем соосно расположенные отверстия в основаниях анода и катода выполнены в диапазоне 1<d<10 мм, а расстояние между ними 0,1<J<5 мм, а изоляция между катодом и анодом имеет внутренний диаметр равный d₁≤d₀, где d₀ - диаметр полости катода.

В готовой конструкции газоразрядного устройства отверстия в основаниях анода, катода, соосно совмещены, образуя совокупность потоков газоразрядной плазмы формируемых каждой парой соосно-расположенных отверстий в основаниях катода и анода, суммирование которых и создает широкоаппертурный ее поток.

На фиг.1 изображена конструкция генератора низкотемпературной плазмы, а фиг.2 элемент оснований анода и катода.

Конструкция генератора низкотемпературной плазмы содержит высоковольтный электрод 1, через который на полый катод 2 подается электропитание. Полый катод 2 коаксиально помещен в полость конструкции изоляции катода 3. Замкнутое пространство в полом катоде образовано с помощью основания 4, выполненным перфорированным, прикрепляемого к корпусу полого катода винтами. После чего полость в изоляции катода с вложенным в нее полым катодом закрывают диэлектрическим основанием 5, выполненного из фторопласта или полистирола. В полость анода вкладывают конструкцию полого катода с изоляцией и замыкают полость анода перфорированным основанием 6, путем ввинчивания металлического кольца 7 в полость анода 8. Со стороны электрического ввода полость анода замыкается крышкой 9.

Устройство осуществляется следующим образом.

В сформированной конструкции анод-изоляция-катод в основаниях катода 4 и основания анода 6 вырезают соосные отверстия. В результате в области отверстий возникает структура полый анод - полый катод.

При подаче на полученную конструкцию напряжения от 0,3 до 6 кВ в области отверстий возникает искривление силовых линий электрического поля. Свободные ионы, не встречая на своем пути ограничения, входят в полость катода и осуществляют ионизацию атомов остаточного газа, т.к. длина свободного пробега иона заходит в объем полости и ион успевает набрать энергию в ускоряющем поле достаточную для осуществления процесса ионизации. Если ион ионизирует один и более электронов, то в области полости возникает облако газоразрядной плазмы, которое является эффективным источником свободных электронов для формирования газового разряда в области отверстий в аноде и катоде. Поскольку в промежутке анод-катод, т.е. на расстоянии h, свободный электрон не успевает набрать энергию для ионизации атомов остаточного газа, то ионизация происходит за пределами поверхности анода и в полости катода. Это позволило получать потоки газоразрядной плазмы в сотни и тысячи миллиампер при напряжениях 0,3-1 кВ. Формирование потока газоразрядной плазмы предлагаемым прибором устранило зависимость ее параметров от площади обрабатываемой поверхности (эффект загрузки) и значительно снизило паразитный нагрев материала его конструкции.

Главным условием возникновения широкоаппертурного потока низкотемпературной плазмы газового разряда за пределами анода является выполнение в основаниях катода и анода, соосно изготовленных отверстий, диаметром 1<d<10 миллиметров, расположенных на расстоянии 0,1<J<5 миллиметров друг от друга. Невыполнение соосности приводит к значительному уменьшению тока газоразрядной плазмы и искажению ее параметров. Изготовление отверстий диаметром 1 миллиметр и менее приводит к значительному уменьшению тока газоразрядной плазмы, а 10 миллиметров и более к увеличению площади неравномерного распределения частиц по сечению потока плазмы, формируемой в области соосно-расположенных отверстий в основаниях анода и катода, что в свою очередь ухудшает равномерность распределения частиц плазмы в сечении общего потока плазмы, формируемого всеми соосно-расположенными отверстиями газоразрядного устройства.

Выполнение неравенства 0,1<J миллиметров определено технической трудностью массового изготовления подобных размеров, что приводит к значительному повышению стоимости газоразрядного устройства, особенно при обработке поверхности до 10-14 классов чистоты. Изготовление промежутков между отверстиями 5 миллиметров и более приводит к разъединению микропотоков, формируемых каждым отверстием, и, следовательно, к ухудшению равномерности распределения частиц плазмы по сечению потока, которое принимает в этом случае форму синусоиды.

Изготовление размера полости катода L равного 3λ и менее приводит к уменьшению или даже к полному прекращению газового разряда в полости катода. В этом случае источником свободных электронов становится механизм эмиссии материала катода внутри полости, т.е. происходит распыление поверхности катода с образованием ямок травления, размер и форма которых начинает активно участвовать в формировании параметров газового разряда. Для устранения этого влияния становится необходимой операция регулярного удаления деформированного слоя поверхности катода. С другой стороны, если изготовить L≥5λ, то в полости катода может возникнуть самостоятельный газовый разряд, приводящий к исчезновению рабочего разряда вне газоразрядной системы катод-анод.

Для устранения поверхностного электрического пробоя системы катод-анод необходимо выполнение неравенства d₁≤d₀, т.к. при d₁>d₀ изоляция будет уменьшать размеры сечения потока плазмы, и распыляться при взаимодействии с его частицами загрязняя обрабатываемую плазмой поверхность и элементы конструкции прибора.

При выполнении такого устройства в области отверстий генерируется широкоаппертурный поток низкотемпературной плазмы.

Генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы, содержащий полый катод с основанием, установленный коаксиально в полую изоляцию, расположенную между полым анодом и полым катодом, полый анод с основанием закрыт крышкой, отличающийся тем, что высота полости полого катода определена соотношением 3λ<L<5X, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы, основания анода и катода выполнены перфорированными, толщина изоляции между полым анодом и полым катодом определена соотношением 0,5d<h<d, где d - диаметр соосно расположенных отверстий в основаниях анода и катода, причем соосно расположенные отверстия в основаниях анода и катода выполнены в диапазоне 1<d<10 мм, а расстояние между ними 0,1<J<5 мм, а изоляция между катодом и анодом имеет внутренний диаметр, равный d₁≤d₀, где d₀ - диаметр полости катода.