ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ
PLASMA GENERATOR

Изобретение относится к технике получения плазмы, частиц вещества, пучков ионов и электронов и может быть использовано при обработке деталей плазмой, а также в электронных и ионных источниках для нанесения покрытий, модификации поверхностей и других применений в электронно-ионно-плазменных технологиях. Основные области применения - микро- и нанотехнологии, электроника, машиностроение, медицина.
Известен плазменный источник ионов газов и металлов (Семенов А.П., Семенова И.А., Троян Г.В. Плазменный источник ионов газов и металлов на основе разряда низкого давления с полым катодом. // Плазменная эмиссионная электроника. Труды III Международного Крейнделевского семинара. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского научного центра СО РАН, 2009. С.100), который при подаче высокого напряжения, распыляющего мишень в катодной полости, позволяет генерировать ионы не только газов, но и металлов. Недостатком устройства является сложность конструкции, связанная с наличием высоковольтных входов, дополнительных блоков питания и размещением мишени в полом катоде. Кроме того, в качестве мишени невозможно использовать диэлектрический или полупроводниковый материал.
Известно устройство для вакуумно-плазменной обработки (Будилов В.В., Шехтман С.Р., Киреев P.M. Устройство для нанесения вакуумно-плазменных покрытий. Патент РФ №2075538, С23С 14/34, опубл. 20.03.1997) с анодом и полым катодом и нагревательным элементом для испарения конденсируемого на деталь вещества. Работа устройства характеризуется значительным повышением плотности тока, увеличением степени ионизации плазмы и снижением напряжения горения разряда, возможностью обработки деталей частицами самых разнообразных веществ, напускаемых через газовый канал и загружаемых в тигель. Недостаток состоит в использовании нагревательного элемента, усложняющего конструкцию и требующего дополнительного энергопотребления.
Близким по технической сущности является генератор плазмы на основе отражательного разряда с полым самокалящимся катодом (Груздев В.А., Троян О.Е. Исследование отражательного разряда с полым самокалящимся катодом. «Известия вузов. Физика». Томск, 1988. Деп. в ВИНИТИ. №5041-1388). В конструкции устройства отсутствуют накаливаемые от внешних источников питания элементы. Плотная плазма в катодной полости отражательного разряда накаляет полый катод вследствие ионной бомбардировки. При этом полый катод теплоизолирован и является самокалящимся. Указанный генератор характеризуется простотой конструкции, стабильностью горения газового разряда в непрерывном режиме без перехода в дугу, высокой плотностью формируемой плазмы, низким напряжением горения и низким энергопотреблением.
Наиболее близким по технической сущности является генератор плазмы на основе отражательного разряда с полым катодом и самокалящимся элементом (Кагадей В.А., Козырев А.В. и др. Вольт-амперные характеристики отражательного разряда с полым катодом и самокалящимся элементом. ЖТФ. 2001. Т.71. №3. С.22). Это устройство во многом схоже с предыдущим. Отличие состоит в том, что самокалящимся (теплоизолированным) является не весь полый катод, а лишь некоторый элемент, в качестве которого в нем используется тугоплавкий стержень, расположенный в полом катоде. По сравнению с цельным самокалящимся полым катодом отдельный самокалящийся элемент может разогреваться до более высокой температуры. При этом основная часть полого катода имеет существенно меньшую температуру, что позволяет использовать для ее изготовления легкодоступные нетермостойкие материалы и увеличить срок службы катода. Однако это устройство, как и предыдущее, имеет недостатки. Во-первых, это узкий диапазон технологического применения, т.к. устройство позволяет формировать плазму лишь газообразных веществ, напускаемых извне по газовому каналу. В связи с этим в некоторых производственных процессах, например, при создании структур микроплат, как правило, приходится использовать несколько устройств: одно - для очистки либо модификации поверхности деталей газовыми ионами, другое - для получения металлических покрытий, третье - для получения полупроводниковых или диэлектрических покрытий и т.д. Такой подход вызывает усложнение производственного процесса, технологической установки для его проведения и неудобства при работе с ней. Кроме того, зачастую отсутствует возможность одновременной обработки деталей разными устройствами, которая может потребоваться, например, для синтеза многокомпонентных покрытий. Если же такая обработка реализована, то она влечет за собой большое энергопотребление, т.к. работают сразу несколько устройств. К тому же приобретение и обслуживание не одного, а сразу нескольких устройств влечет большие затраты для производственного предприятия. Второй недостаток прототипа - это низкая однородность радиального распределения плотности плазмы с максимумом плотности на оси.
Задачей изобретения является создание устройства, способного генерировать плазму независимо от химического состава и агрегатного состояния рабочих веществ (газ, жидкость, твердое тело) в одном и том же разряде без дополнительного оборудования и энергопотребления, а также увеличение однородности радиального распределения плазмы и увеличение производительности технологических установок.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона технологических применений генератора плазмы и увеличение однородности радиального распределения плотности плазмы при низком энергопотреблении и простоте конструкции генератора плазмы, а также увеличение производительности технологических установок.
Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе плазмы, содержащем симметричную относительно общей оси систему деталей, включающую плоский катод-отражатель, кольцевой анод, кольцевой магнит, полый катод и самокалящийся элемент, расположенный в полом катоде, самокалящийся элемент выполнен в виде кольца из тугоплавкого немагнитного материала, которое имеет полость для загрузки рабочего вещества и расположено вблизи магнита.
Изобретение поясняется чертежом (1 - полый катод, 2 - самокалящийся элемент, 3 - рабочее вещество, 4 - магнит, 5 - анод, 6 - катод-отражатель), на котором изображена принципиальная схема генератора плазмы.
Генератор плазмы работает следующим образом. При подаче газа и напряжения на электроды 1, 2, 5, 6 зажигается разряд. Из-за высокой плотности плазмы в полом катоде 1 самокалящийся элемент 2 быстро (обычно в течение нескольких минут) разогревается до высокой температуры (500-3000К), зависящей от тока разряда. Разогревание самокалящегося элемента 2 происходит, главным образом, по причине интенсивной ионной бомбардировки. По мере повышения температуры самокалящегося элемента 2 уменьшается разрядное напряжение, так как появляется термоэлектронная эмиссия с его поверхности. В это же время рабочее вещество 3, загруженное перед началом работы в самокалящийся элемент 2, начинает испаряться. Магнитное поле магнита 4 препятствует уходу электронов на анод 5, заставляя их отражаться от катодов 1 и 6 и совершать больше актов ионизации вещества в разряде. Кроме того, вблизи магнита расположен самокалящийся элемент 2 с рабочим веществом 3 и силовые линии магнитного поля, проникая через немагнитный материал самокалящегося элемента 2, имеют форму дуги над рабочим веществом 3. Электроны захватываются магнитным полем и оказываются как бы в ловушке, многократно отражаясь от рабочего вещества 3. Это позволяет увеличить плотность плазмы над рабочим веществом 3 и соответственно интенсивность ионной бомбардировки этого вещества, что приводит не только к его дополнительному нагреву, но и к распылению. К тому же по мере увеличения температуры рабочего вещества его коэффициент распыления, как правило, возрастает. Самокалящийся элемент 2 расположен в полом катоде на минимальном расстоянии от магнита 4 для достижения наиболее сильного магнитного поля в зоне нагрева и распыления. В то же время между самокалящимся элементом 2 и магнитом 4 должно быть выдержано некоторое расстояние, достаточное для обеспечения надежной электро- и теплоизоляции этих деталей. Оптимальные материалы и размеры деталей, а также расстояния между ними относятся к «ноу-хау» предлагаемой разработки. В результате распыления и испарения часть рабочего вещества 3 переходит в газообразное состояние. Следует отметить, что для этого используется мощность не отдельно питающегося нагревателя или распылителя, а разрядная мощность, выделяемая на самокалящемся элементе 2 в полом катоде 1. За счет электронного удара в разряде происходит ионизация рабочего вещества 3. При такой работе генератора плазмообразующими компонентами являются уже не только напускаемый газ, но и загружаемое в самокалящийся элемент 2 рабочее вещество 3. Иными словами, генерируемая плазма газового разряда сама распыляет и испаряет загруженное рабочее вещество 3, которое затем тоже переходит в плазму. За счет использования самокалящегося элемента 2 в форме кольца предлагаемый генератор позволяет получать на некотором расстоянии от самокалящегося элемента 2 однородное радиальное распределение плотности плазмы.
В итоге предложенный генератор плазмы позволяет формировать однородную плазму разнообразных химических соединений, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое тело) без дополнительных затрат энергии при простоте конструкции и удобстве эксплуатации, что обусловливает расширение диапазона возможных технологических применений. Полученная плазма может использоваться для обработки деталей непосредственно либо как эмиттер частиц, направляемых на детали. Предлагаемый генератор плазмы также открывает большие возможности для технологий плазмохимического синтеза, т.к. позволяет осуществлять химические реакции в плазме с любым набором реагентов и синтезировать тем самым уникальные, малораспространенные в природе вещества или вещества, находящиеся в природе в метастабильном состоянии, например алмаз, карбид кремния. Предлагаемый генератор плазмы позволяет наносить самые разнообразные тонкопленочные покрытия и проводить различные операции модификации поверхности: очистка, имплантация ионов, отжиг и др. При этом по сравнению с наиболее распространенными на сегодняшний день в промышленности установками термовакуумного напыления или магнетронного распыления технологические установки на основе предлагаемого генератора плазмы обладают большей производительностью. Увеличение производительности объясняется следующим. По сравнению с магнетронным распылением производительность увеличивается за счет существенного увеличения температуры рабочего вещества, т.к. с ростом температуры увеличивается коэффициент распыления. Следует также отметить, что магнетронное распыление зависит от агрегатного состояния и химической природы вещества, его электрической проводимости, а следовательно, диапазон технологических применений этого метода довольно узок. По сравнению с термовакуумным напылением производительность увеличивается за счет сильной ионизации рабочего вещества в электрическом разряде и появления большого количества ионов рабочего вещества, служащих центрами кристаллизации наносимых покрытий (термовакуумное напыление не позволяет получать плазму рабочего вещества).