ИСТОЧНИК ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ИОНИЗАЦИИ
SOURCE OF INTENSE FLOWS OF LOW-TEMPERATURE PLASMA WITH HIGH DEGREE OF IONISATION

2
Изобретение относится к области получения интенсивных широкоапертурных (до сотен см) потоков плазмы с эффективным током сотни ампер. Изобретение может быть использовано в целом ряде плазменных технологий: в сильноточных источниках ионов, в микроэлектронике, ядерной физике и др.
Потоки плазмы широко используются в целом ряде современных направлений промышленного производства, например, в микроэлектронике для очистки поверхностей, травлении, напылении материалов и модификации поверхностей, в ядерной физике для создания сильноточных пучков ионов, в технологиях плазмохимического газофазного осаждения, в механике, оптике, для защиты от коррозии или обработке поверхностей. Для повышения эффективности таких технологий требуются плазменные потоки с все большей апертурой и с все большей интенсивностью.
В настоящее время для получения направленных потоков плазмы используются различные типы газовых разрядов низкого давления с неравновесным характером ионизации, создаваемых электромагнитным излучением с различными частотами (высокие частоты ВЧ, сверхвысокие частоты СВЧ, оптический диапазон), причем используются различные сорта газов и способы их напуска. Среди источников потоков плазмы с высокой степенью ионизации широкое распространение получили источники на основе газового разряда низкого давления, поддерживаемого в неоднородном магнитном поле СВЧ излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). Образующаяся в таком источнике плазма распространяется вдоль силовых линий магнитного поля преимущественно в сторону его убывания, формируя направленные потоки. Такие источники плазмы имеют большой ресурс работы и высокую стабильность, позволяют легко менять рабочее вещество. Например, ЭЦР источники, работающие на частоте 2,45 ГГц и использующие излучение сантиметрового диапазона длин волн, широко применяются в микроэлектронике в технологиях "сухого" производства больших интегральных схем.
ЭЦР источники потоков плазмы с накачкой излучением с частотами на уровне 10 ГГц широко используются для получения интенсивных пучков ионов, в том числе и многозарядных, за счет разрыва плазмы специальным устройством - экстрактором, такие источники применяются во многих современных ускорителях тяжелых частиц в центрах ядерных исследований.
Совершенствование современных технологий, повышение их производительности требует увеличения площади обрабатываемых поверхностей и увеличения интенсивности плазменных потоков. В настоящее время в разработке ЭЦР источников плазменных потоков используют несколько подходов, направленных на решение данных задач.
В первом случае разрабатываются способы улучшенного согласования плазмы с поддерживающим электромагнитным излучением сантиметрового диапазона длин волн (см., например, патент RU №2120681 МПК H01L 21/3065 публ. 20.10.1998; патент RU №2223570 МПК H01J 37/08, Н05Н 1/46, H01L 21/00, H01J 37/32 публ. 10.02.2004; патент США US №6010755 МПК С23С 16/511, H01J 37/32192, Н05Н 1/46, публ. 04.01.2000). Известен также источник плазмы ЭЦР-разряда для обработки подложек большой площади (пат. RU №2070357 МПК Н05Н 1/46 H01L 21/306, публ. 10.07.1996). В предлагаемом устройстве для обработки подложек большой площади потоком ЭЦР-плазмы (с целью осаждения тонких пленок, модификации поверхности, очистки или травления) используют несколько СВЧ антенн. Это позволяет обеспечить однородный поток плазмы увеличенного сечения и обрабатывать получаемым потоком плазмы ЭЦР-разряда подложки с площадью рабочей поверхности на уровне 1000 кв. см.
Другая возможность увеличить площади обрабатываемых поверхностей - это расположить рядом друг с другом несколько ЭЦР источников плазмы небольшого размера (см., например, патенты ЕР 1075168 МПК H01L 21/205 Н05Н 1/46 публ. 02.07.2001; WO 2008/017304 МПК H01J 37/32 публ. 14.02.2008). В устройстве для генерирования плазмы из газовой среды посредством электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) (см. патент RU №2642424 МПК Н05Н 1/46, H01J 37/32 публ. 25.01.2018) используют, по крайней мере, два коаксиальных СВЧ волновода и специальную геометрию магнитного поля, что в конечном итоге повышает однородность обработки поверхности.
12
-3
Основной недостаток всех описанных выше устройств создания потоков плазмы связан с использованием электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн (сравнительно низкой частоты), что ограничивает плотность полученной плазмы на уровне 10см.
Естественным и наиболее перспективным способом увеличения потока плазмы является повышение ее плотности в разряде, что может достигаться, прежде всего, за счет увеличения частоты и мощности поддерживающего разряд электромагнитного излучения, при этом плотность плазмы растет пропорционально квадрату частоты.
Использование миллиметрового излучения для увеличения плотности плазмы в разряде продемонстрировано в разработанном сильноточном источнике ионов (см. заявку WO 2010132068 МПК G21G 4/08, H01J 27/18, публ. 18.11.2010). Описан способ увеличения тока извлекаемых ионных пучков из плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого квазиоптическим пучком миллиметрового излучения современных гиротронов, и устройство, реализующее этот способ. В известном устройстве на первом этапе получают необходимый поток плотной плазмы, а затем осуществляют разрыв плазмы специальными экстракторами и формируют сильноточные пучки ионов. Недостаток этого устройства обусловлен следующим. Для получения ионов плазму в источнике разрывают с помощью системы экстракции - формируя пучок ионов. Система экстракции представляет собой набор электродов с отверстиями небольшого диаметра на оси системы, на которые подается высокое напряжение. При этом и плотность плазмы, и ее поперечный размер не стремятся увеличивать, эти параметры подбираются оптимальными для используемого напряжения экстракции и апертуры системы. В подобных источниках поперечный размер отверстий экстрактора не превышает нескольких сантиметров, в то время как наша задача получить плотные широкоапертурные (с поперечным размером десятки сантиметров) плазменные потоки.
Наиболее близким аналогом по технической сущности является источник плотных потоков низкотемпературной плазмы, используемый для получения пучков многозарядных ионов, (Golubev S., Izotov I., S. Razin, A. Sidorov. V. Skalyga, A. Vodopyanov, V. Zorin, Bokhanov A. High current ECR source of multicharged ion beams // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - Section B, 2007. - V. 256, I. 1, pp. 537-542). Данный источник содержит генератор электромагнитного излучения миллиметрового диапазона, в качестве которого используется гиротрон с частотой 37,5 ГГц и мощностью до 100 кВт, систему формирования квазиоптического пучка, обеспечивающую ввод электромагнитного излучения внутрь вакуумной камеры, которая расположена внутри осесимметричной открытой магнитной ловушки, образованной двумя катушками, и систему газонапуска для подачи рабочего газа внутрь вакуумной камеры. Использование миллиметрового излучения мощного гиротрона позволяет более чем на порядок, по сравнению с традиционными ЭЦР источниками, увеличить плотность плазмы в разряде. При этом происходит смена режима удержания плазмы - реализуется, так называемый, квазигазодинамический режим удержания с заполненным конусом потерь с замагниченными электронами и незамагниченными ионами. Время жизни плазмы в таком режиме, определяемое временем пролета ионами магнитной ловушки, составляет 10 мкс, при этом в традиционных источниках время жизни плазмы достигает сотен мс. Малое время жизни плазмы в совокупности с большой плотностью обеспечивает возможность получить через пробки ловушки потоки плазмы с рекордной плотностью, т.к. поток плазмы пропорционален плотности и обратно пропорционален времени жизни плазмы в ловушке.
Основными недостатками этого источника потока низкотемпературной плотной плазмы, выбранного нами за прототип, являются небольшая величина поперечного размера потока плазмы и недостаточная пространственная однородность. В устройстве-прототипе используется одноапертурная система газонапуска с отверстием небольшого диаметра (не более 1 см), при этом образуется плотная плазма с квазигаусовым распределением по поперечным координатам. Это означает, что вытекающая через пробки ловушки плазма имеет максимум в центре и быстро спадает к периферии потока.
2
12
13
-3
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства, позволяющего формировать однородный по поперечному сечению площадью порядка 100 см поток плазмы высокой плотности (до 10-10 см) из разряда низкого давления, поддерживаемого в открытой магнитной ловушке СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн, в условиях электронно-циклотронного резонанса.
Технический результат в разработанном источнике интенсивных потоков низкотемпературной плотной плазмы с высокой степенью ионизации достигается за счет того, что он, также как и устройство прототип, содержит генератор, создающий квазиоптический пучок электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн, систему ввода пучка электромагнитного излучения в вакуумную камеру, помещенную внутрь открытой магнитной ловушки, и систему газонапуска, осуществляющую подачу рабочего газа внутрь вакуумной камеры.
Новым в разработанном устройстве является то, что система газонапуска выполнена в виде многоапертурной системы трубок с независимой подачей рабочего газа в каждую отдельную трубку, что позволяет регулировать поперечное распределения потока газа и формировать широкоапертурный поток плазмы с необходимой поперечной структурой потока плазмы.
В частном случае реализации разработанного источника интенсивных потоков низкотемпературной плотной плазмы для ограничения поперечного размера разлетающейся плазмы целесообразно ввести, по крайней мере, одну дополнительную магнитную катушку, расположив ее дальше от генератора, за магнитной ловушкой.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена упрощенная схема источника интенсивных широкоапертурных потоков низкотемпературной плазмы с высокой степенью ионизации выполненная по п. 1.
На фиг. 2 представлена схема источника интенсивных широкоапертурных потоков низкотемпературной плазмы с высокой степенью ионизации выполненная согласно п. 2 формулы.
Источник интенсивных широкоапертурных потоков низкотемпературной плазмы, представленный на фиг. 1, содержит генератор 1, создающий квазиоптический пучок электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн, систему ввода 2, формирующую и направляющую электромагнитный пучок внутрь вакуумной камеры 3. Вакуумная камера 3 расположена внутри открытой магнитной ловушки 4, состоящей из нескольких катушек, создающих магнитное поле пробочной конфигурации внутри вакуумной камеры 3. Система газонапуска 5, 6 представляет собой набор трубок 5, обеспечивающих подачу рабочего газа внутрь вакуумной камеры 3, и набор клапанов 6 с независимой регулировкой подачи газа. При этом система газонапуска 5, 6 позволяет независимо регулировать подачу газа по каждой трубке в отдельности. Образующаяся внутри вакуумной камеры 3 плазма 7 ограничена магнитными силовыми линиями 8 магнитного поля.
В случае выполнения источника интенсивных широкоапертурных потоков низкотемпературной плазмы согласно пункту 2 формулы дополнительная магнитная катушка 9 располагается снаружи вакуумной камеры 3 за магнитной ловушкой 4 (фиг. 2). При этом силовые линии 8 магнитного поля дополнительно «поджимают» разлетающийся поток плазмы 7, регулируя поперечное распределение потока и обеспечивая его необходимый поперечный размер.
В конкретном примере реализации разработанного источника интенсивных широкоапертурных потоков низкотемпературной плазмы в качестве генератора 1 использовался гиротрон "Бальзам-с", изготовленный в НПП "Гиком" города Нижнего Новгорода. Система ввода 2 представляет собой набор квазиоптических зеркал, формирующих сходящийся пучок электромагнитного излучения с квазигаусовым распределением интенсивности по поперечным координатам. Вакуумная камера 3 разработана и изготовлена в ЙПФ РАН. Открытая магнитная ловушка 4 состоит из двух катушек с водяным охлаждением, максимальная напряженность магнитного поля достигает 4 Т. Система газонапуска 5, 6 состоит из набора трубок 5 малого диаметра (до 5 мм), изготовленных из нержавеющей стали, и набора клапанов 6, обеспечивающих независимую подачу газа. Система газонапуска 5, 6 позволяет существенно увеличивать поперечный размер плазмы 7.
Разработанный источник интенсивных потоков низкотемпературной плотной плазмы с высокой степенью ионизации работает следующим образом.
-7
Разрядную вакуумную камеру 3 предварительно откачивают с помощью системы откачки до давления не хуже 5*10 Торр. Магнитную ловушку 4 с полем простой пробочной конфигурации создают с помощью магнитной системы, питающейся от импульсного сильноточного источника питания. Величина магнитного поля должна достигать такой величины, чтобы создавались условия электронно-циклотронного резонансного пробоя газа. Электромагнитное излучение миллиметрового диапазона длин волн с помощью системы ввода 2 подается в вакуумную камеру 3, где в условиях ЭЦР происходит ионизация рабочего вещества, предварительно поданного в камеру 3 системой газонапуска 5, 6. Образовавшаяся плазма 7 ограничена в поперечном направлении магнитным полем так, что плазма 7 существует только в магнитных силовых трубках, в которые напускается газ. Причем режим разряда и газонапуска подбирается таким образом, чтобы плотность плазмы 7 в каждой силовой трубке магнитной ловушки 4 была пропорциональна плотности напускаемого газа. Поток плазмы 7 формируется при ее вытекании через пробки магнитной ловушки 4 вдоль магнитных силовых линий 8, конфигурацию которых формирует также и система дополнительных магнитных катушек 9.
2
Особенностью работы заявленного источника плазменных потоков по сравнению с прототипом является то, что система газонапуска 5, 6 выполнена с возможностью регулировки поперечного распределения потока газа, в том числе формирования широкоапертурного потока с плоской вершиной, а дополнительные магнитные катушки 9 формируют структуру магнитного поля, обеспечивающую в совокупности с упомянутой системой газонапуска 5, 6 возможность получения расширенного потока плазмы 7 (до сотен см) с регулируемым, в частности однородным, по поперечным координатам распределением интенсивности с полным эквивалентным током сотни ампер.
Положительный эффект разработанной системы формирования интенсивных плазменных потоков можно объяснить следующим образом. Использование многоапертурной системы газонапуска 5, 6 позволяет подавать в разряд поток газа с увеличенным поперечным размером и управляемым распределение по поперечным координатам, что, в свою очередь, обеспечивает создание в условиях ЭЦР разряда в магнитной ловушке 4 широкоапертурной плотной плазмы 7 с высокой степенью ионизации с регулируемым распределением по поперечным координатам. Такая плазма 7 при вытекании вдоль магнитных силовых линий 8 через пробки магнитной ловушки 4 расширяется в соответствии с конфигурацией магнитного поля, создаваемого дополнительной системой магнитных катушек 9, и может обеспечить формирование потока плазмы 7 с регулируемым распределение по поперечным координатам, в частности, с однородным плоской вершиной.
19
2
2
Таким образом, разработанный источник интенсивных широкоапертурных потоков низкотемпературной плазмы с высокой степенью ионизации, позволяет получать интенсивные (10 частиц /см) широкоапертурные (до сотен см) потоки плазмы (с эффективным током сотни ампер) за счет вытекания плотной плазмы ЭЦР разряда из открытых магнитных ловушек.