Источник ионов
ION SOURCE

Изобретение относится к плазменным источникам, предназначенным для создания интенсивных ионных пучков с использованием высокочастотной электромагнитной энергии для генерации плазмы в газоразрядной камере. Изобретение может применяться в ионно-плазменных технологических установках, в которых ионные пучки используются для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации, очистки поверхностей и модификации поверхностных свойств материалов.
Известны различные конструкции плазменных источников ионов, в которых генерация плазмы осуществляется посредством ввода высокочастотной (ВЧ) электромагнитной энергии в полость газоразрядной камеры, заполняемой газообразным рабочим веществом. Так, например, известен плазменный источник ионов, включающий в свой состав кварцевую газоразрядную камеру, с внешней стороны которой установлен узел ввода энергии в виде индуктора, подключенного к выходу ВЧ генератора напряжения, и систему извлечения и ускорения ионов, с помощью которой ионы исследуемого вещества направляются в масс-спектрометр (патент JP 2591822 B2, дата публикации: 19.03.1997).
Индуктор, витки которого расположены с внешней стороны газоразрядной камеры, выполняет функцию узла ввода ВЧ энергии. Вход в газоразрядную камеру источника ионов соединен с системой подачи газообразного рабочего вещества и исследуемого вещества. Источник ионов помещен в заземленный электропроводящий корпус. Система извлечения и ускорения ионов содержит последовательно расположенные эмиссионные, сепарирующие и ускоряющие электроды, подключенные к соответствующим источникам напряжения. При этом электроды, расположенные со стороны выходного сечения газоразрядной камеры источника ионов, имеют коническую форму и выполнены расширяющимися в направлении извлечения ионов.
Для исключения влияния генерируемого в газоразрядной камере ВЧ электромагнитного поля на процесс извлечения и ускорения ионов второй вывод индуктора подключен к заземленному корпусу источника ионов и соединен с первым коническим электродом через конденсатор с низким импедансом. Известное техническое решение предназначено для использования в масс-спектрометрии и не может применяться в технологических ионно-плазменных установках и процессах, для которых требуются интенсивные потоки ионов с регулируемой энергией заряженных частиц.
В опубликованной патентной заявке US 20160200458 A1 (дата публикации: 14.06.2016) описана конструкция используемого в качестве электрического ракетного двигателя плазменного источника с магнитным соплом. Генератор потока плазмы содержит диэлектрическую газоразрядную камеру с выходным сужающимся участком в форме конического сопла. Подача газообразного рабочего вещества осуществляется через патрубок ввода, соединенный с газоразрядной камерой. Ввод ВЧ электромагнитной энергии в полость газоразрядной камеры осуществляется с помощью узла ввода ВЧ энергии, выполненного в виде индуктора. Витки индуктора расположены с внешней стороны газоразрядной камеры на участке цилиндрической формы. Экранирование генерируемого ВЧ поля обеспечивается с помощью перфорированного электропроводящего корпуса, в полости которого расположен генератор плазмы.
Для создания магнитного сопла, ограничивающего объем, занимаемый генерируемой плазмой, используются радиально ориентированные постоянные магниты или соосно установленные электромагнитные катушки, расположенные с внешней стороны корпуса генератора плазмы. За счет выбранной формы газоразрядной камеры и применения магнитного сопла обеспечивается газодинамическое ускорение генерируемого потока плазмы без извлечения из квазинейтрального потока плазмы ионной компоненты и последующего электростатического или электромагнитного ускорения извлекаемого потока ионов.
Наиболее близким аналогом изобретения является источник ионов, описанный в патенте US 4849675 (дата публикации: 18.07.1989). Источник ионов включает в свой состав газоразрядную камеру осесимметричной формы, выполненную из проницаемого для электромагнитного излучения диэлектрического материала, и узел вво ад электромагнитной энергии, выполненный в виде индуктора и подключенный в ВЧ генератору напряжения. С закрытой торцевой частью камеры соединен патрубок ввода газообразного химически инертного рабочего вещества.
Ввод электромагнитной энергии в полость камеры, заполненную рабочим веществом, осуществляется с помощью индуктора, выполненного из электропроводящего материала в виде спирали. В целом узел ввода энергии представляет собой проводник изогнутой формы, участки которого образуют витки спиралеобразной формы.
Индуктор подключен к выходу ВЧ генератора напряжения. Витки спирали индуктора расположены с внешней стороны газоразрядной камеры. Источник ионов содержит систему извлечения и ускорения ионов с сеточными электродами, подключенными к источнику ускоряющего напряжения. Сеточные электроды последовательно установлены у выходного отверстия газоразрядной камеры, имеющей цилиндрическую форму.
Известное техническое решение направлено на повышение эффективности использования генерируемой ВЧ энергии для ионизации рабочего вещества за счет снижения потерь энергии. Однако в случае применения сеточной системы извлечения и ускорения ионов существенно снижается ресурс и надежность источника ионов, что обусловлено интенсивным распылением перфорированных электродов ускоренными ионами и, вследствие этого, изменением размеров и формы отверстий в электродах.
Кроме того, в условиях высоких рабочих температур происходит неравномерная деформация тонких перфорированных электродов и нарушение из-за этого расчетного межэлектродного расстояния. Для изготовления перфорированных (сеточных) электродных систем необходимо используются сложные технологические процессы, обеспечивающие требуемую высокую точность изготовления как по размеру отверстий, так и по толщине электродов. Само по себе наличие тонких перфорированных электродов, между которыми должна поддерживаться высокая разность потенциалов без возникновения пробоев в течение ресурса, существенно усложняет в целом конструкцию источника ионов. Вместе с тем известные источники ионов (аналоги изобретения) не позволяют осуществлять независимое регулирование плотности ионного тока и энергии ускоренных ионов в широких диапазонах значений тока и энергии ионов, что необходимо в различных технологических процессах при использовании универсального оборудования.
Изобретение направлено на решение технических задач, связанных с исключением из состава источника ионов перфорированных (сеточных) электродов системы извлечения и ускорения ионов, контактирующих с заряженными частицами, и обеспечением условий для независимого регулирования плотности тока и энергии ускоренных ионов на выходе из газоразрядной камеры.
При решении указанных выше задач с помощью изобретения достигаются следующие технические результаты: увеличивается ресурс, повышается надежность и упрощается конструкция источника ионов за счет исключения перфорированных (сеточных) электродов, расположенных в области интенсивного ионного распыления; обеспечивается независимое регулирование плотности тока и энергии ускоренных ионов в широком диапазоне значений тока и энергии ионов.
Указанные технические результаты достигаются при использовании источника ионов, содержащего газоразрядную камеру осесимметричной формы, выполненную из проницаемого для электромагнитного излучения диэлектрического материала. С входом в газоразрядную камеру соединен патрубок ввода газообразного рабочего вещества. Источник ионов включает в свой состав ВЧ генератор напряжения и узел ввода энергии, выполненный в виде проводника изогнутой формы, участки которого образуют витки, расположенные с внешней стороны газоразрядной камеры, и подключенный к выходу ВЧ генератора напряжения. В качестве узла ввода энергии может использоваться, в частности, индуктор (соленоидальная антенна). Индуктор выполняется из электропроводящего материала в форме цилиндрической спирали, витки которой имеют спиралеобразную форму и расположены с внешней стороны первого участка газоразрядной камеры. Источник ионов содержит систему извлечения и ускорения ионов с электродами, по меньшей мере один из которых подключен к источнику электропитания.
Согласно изобретению газоразрядная камера включает два последовательно сопряженных участка, первый из которых расположен со стороны патрубка ввода газообразного рабочего вещества. Данный участок имеет цилиндрическую форму. Второй участок сопряжен с выходной частью первого участка и выполнен сужающимся в направлении извлечения и ускорения ионов. Узел ввода энергии устанавливается с внешней стороны первого участка газоразрядной камеры. Система извлечения и ускорения ионов содержит два электрода, первый из которых имеет плоскую форму и расположен со стороны первого участка газоразрядной камеры, а второй электрод имеет кольцеобразную форму и установлен соосно газоразрядной камере со стороны ее второго участка у выходного отверстия (выходного сечения камеры).
При указанном выполнении источника ионов для ионизации рабочего вещества в полости газоразрядной камеры, извлечения и ускорения ионов используются две независимо управляемые газоразрядные системы, с помощью которых формируются два разрядных канала комбинированного разряда. Первая газоразрядная система образована узлом ввода энергии (проводником изогнутой формы), который подключен к ВЧ генератору напряжения и установлен на стенке первого участка камеры. Вторая газоразрядная система включает два электрода, первый из которых расположен со стороны первого участка газоразрядной камеры, а второй электрод установлен соосно газоразрядной камере со стороны ее второго участка.
Извлечение и ускорение ионов, генерируемых в разрядном объеме ВЧ разряда первого участка газоразрядной камеры, происходит в электростатическом поле под действием приэлектродного падения потенциала, локализованного в области выходного отверстия газоразрядной камеры. Пространственная локализация падения потенциала осуществляется в выходном отверстии второго участка камеры, диаметр которого меньше диаметра первого участка камеры. Вследствие этого ионы, образующиеся в плазме ВЧ разряда (в индуктивно связанной плазме) в полости первого участка камеры, направляются во второй сужающийся участок камеры и попадают в область действия локализованного в области выходного сечения камеры приэлектродного падения потенциала, под действием которого происходит формирование и ускорение потока ионов.
Локализованное приэлектродное падение потенциала формируется с помощью сужающегося в направлении извлечения ионов второго участка камеры. Входное сечение второго участка камеры сопряжено с выходным сечением первого участка камеры. Для равномерного по сечению выходного отверстия камеры извлечения ионов диаметр выходного отверстия камеры выбирается приблизительно равным удвоенному характерному размеру приэлектродного падения потенциала со стороны второго электрода. То есть радиус выходного отверстия камеры должен быть порядка характерного размера приэлектродного падения потенциала у второго электрода. Данный размер рассчитывается для выбранного режима работы источника ионов в зависимости от характеристик электрического разряда.
Применение в источнике ионов двух газоразрядных систем позволяет генерировать комбинированный электрический разряд в полости газоразрядной камеры посредством формирования двух независимо регулируемых каналов разряда, С помощью первого (безэлектродного) канала разряда ионизация рабочего вещества обеспечивается за счет ввода ВЧ энергии в разрядный объем через узел ввода энергии, подключенный к ВЧ генератору напряжения. Второй разрядный канал образован двумя электродами, установленными с противоположных сторон газоразрядной камеры, по крайней мере одни из которых подключается к источнику электропитания.
В результате проведенных экспериментальных исследований комбинированного разряда было установлено, что доминирующим фактором, определяющим плотность плазмы (концентрацию заряженных частиц) и, соответственно, плотность тока ионов, является мощность ВЧ генератора напряжения. При этом энергия ионов в плазме ВЧ разряда зависит от разности потенциалов между электродами, расположенными в разрядном объеме (Features of RF low-pressure discharge with inductive and capacitive channels / Kralkina E.A. [et. al.] // Plasma Sources Science and Technology. 2017. V. 26, №5, P. 1-15; IOPSCIENCE [сайт]. URL: https://doi.org/10.1088/1361-6595/aa61e6).
При использовании в источнике ионов данного эффекта, связанного с генерацией комбинированного разряда, появляется возможность независимо управлять плотностью тока и энергией извлекаемых и ускоряемых ионов в широком диапазоне значений плотности тока и энергий. Величина тока ионов регулируется мощностью ВЧ генератора напряжения, к которому подключен узел ввода энергии, образующий первый канал комбинированного разряда. При этом энергия потока ускоренных ионов задается величиной приэлектродного падения потенциала вблизи второго электрода. Данное свойство комбинированного разряда в источнике ионов позволяет реализовать дополнительную функцию второго разрядного канала, которая заключается в извлечении и ускорении потока ионов на выходе из газоразрядной камеры.
Выполнение электродами второго разрядного канала функций системы извлечения и ускорения ионов, которые осуществляются в известных источниках ионов (аналогах) с помощью перфорированных (сеточных) электродов, обеспечивается за счет изменения формы (профилирования) газоразрядной камеры и расположения электродов с противоположных торцевых частей камеры: один электрод устанавливается со стороны первого участка камеры, а второй - со стороны второго участка камеры. Для пространственной локализации ускоряющего ионы приэлектродного падения потенциала в области выходного сечения камеры второй участок камеры выполнен сужающимся в направлении извлечения и ускорения ионов. Диаметр выходного отверстия второго участка камеры выбирается приблизительно равным удвоенному размеру приэлектродного падения потенциала вблизи второго электрода. Данный размер зависит от параметров генерируемого ВЧ разряда и подбирается в каждом случае в зависимости от заданных значений плотности ионного тока и энергии ионов.
При использовании источника ионов компенсация пространственного заряда ускоренного потока ионов осуществляется электронами плазмы комбинированного разряда, которые перемещаются из плазмы разряда вслед за ионами под действием самосогласованного электростатического поля, образуемого ускоренными ионами. В этом случае не требуется дополнительный источник электронов, выполняющий функцию компенсатора (нейтрализатора) пространственного заряда ускоренного потока ионов. Следует отметить, что применение компенсатора пространственного заряда является обязательным условием функционирования источников ионов при использовании сеточной системы извлечения и ускорения ионов.
Таким образом, наряду с преимуществами, обусловленными возможностью независимого регулирования плотности тока и энергии ионов, что необходимо, в частности, для осуществления ряда ионно-пучковых и плазменных технологических процессов, источник ионов по сравнению с аналогами обладает высокой надежностью, большим ресурсом и имеет простую конструкцию. Данные преимущества связаны с отсутствием перфорированных (сеточных) электродов, перекрывающих выходное сечение газоразрядной камеры, и исключением из состава устройства источника электронов, выполняющего функцию компенсатора пространственного заряда ускоренного потока ионов.
В частных случаях реализации изобретения возможны различные варианты конструкции, включая варианты подключения электродов второй газоразрядной системы к источникам электропитания.
Второй участок газоразрядной камеры может быть выполнен в форме усеченного конуса вращения. В других вариантах конструкции второй участок камеры может иметь, например, ступенчато сужающуюся форму.
В зависимости от подключения к источнику электропитания и, соответственно, от типа возбуждаемого электрического разряда во втором разрядном канале первый и второй электроды могут быть расположены в полости камеры либо с внешней стороны первого и второго участков камеры.
В случае размещения электродов в полости газоразрядной камеры первый электрод устанавливается в полости первого участка газоразрядной камеры со стороны патрубка ввода газообразного рабочего вещества, а второй электрод - в полости второго участка газоразрядной камеры со стороны его выходного сечения (выходного отверстия).
Для возбуждения во втором разрядном канале разряда постоянного тока источник ионов включает в свой состав источник постоянного тока, при этом первый и второй электроды подключаются к разноименным клеммам источника постоянного тока. В случае ускорения положительно заряженных ионов первый электрод подключается к положительному полюсу (клемме) источника постоянного тока и выполняет функцию анода, а второй электрод - к отрицательному полюсу (клемме) источника постоянного тока и выполняет функцию катода.
При размещении электродов в полости газоразрядной камеры возможен вариант конструкции источника ионов, согласно которому источник ионов включает в свой состав дополнительный ВЧ генератор напряжения. В данном варианте первый электрод подключается к первому выходу дополнительного ВЧ генератора напряжения, второй выход которого заземлен. Второй электрод заземлен и соединен с первым электродом через катушку индуктивности (дроссель).
Включение катушки индуктивности в электрическую цепь между первым и вторым электродом связано с необходимостью локализации приэлектродного падения потенциала вблизи второго электрода. В связи с тем, что заземлен не только второй электрод, но и другие элементы конструкции источника ионов, эффективная площадь поверхности второго электрода оказывается существенно большей по сравнению с площадью поверхности первого электрода со стороны полости ГРК. Вследствие этого при зажигании ВЧ разряда в ГРК между первым электродом и заземленными частями источника ионов образуются паразитные емкости, что приводит к смещению области с максимальным приэлектродным падением потенциала к первому электроду.
С целью снижения влияния данного эффекта на заданное распределение приэлектродного падения потенциала и локализации приэлектродного падения потенциала вблизи второго электрода первый и второй электроды замыкаются между собой внешней электрической цепью, включающей катушку индуктивности (дроссель). При данном подключении электроды замкнуты между собой по постоянному току через катушку индуктивности и разомкнуты по ВЧ току в электрической цепи, соединяющей электроды между собой и с выходом дополнительного ВЧ генератора напряжения. В этом случае ВЧ ток между электродами протекает только через разрядный промежуток в ГРК.
Пространственная локализация приэлектродного падения потенциала вблизи второго электрода достигается при использовании катушки индуктивности с малым активным сопротивлением, импеданс которой по высокой частоте существенно превышает импеданс ВЧ разряда, определяемый для выбранного режима работы источника ионов. За счет расположения пространственной области с наибольшим падением потенциала у поверхности второго электрода, установленного в сужающейся части ГРК у выходного отверстия, происходит извлечение ионов из плазмы ВЧ разряда и ускорение потока ионов в электростатическом поле.
В случае размещения электродов с внешней стороны газоразрядной камеры первый электрод устанавливается с внешней стороны первого участка камеры у его торцевой части с патрубком ввода газообразного рабочего вещества, а второй электрод - с внешней стороны второго участка газоразрядной камеры у его выходного сечения (выходного отверстия).
При выбранном расположении электродов осуществляется генерация комбинированного разряда с двумя ВЧ разрядными каналами: индуктивным и емкостным. Для питания разрядных каналов комбинированного разряда может использоваться один общий ВЧ генератор напряжения. К выходу ВЧ генератора напряжения подключается проводник узла ввода энергии. При этом первый электрод второго разрядного канала подключается к выходу ВЧ генератора напряжения через регулируемый разделительный конденсатор. В данном варианте осуществления изобретения второй электрод заземлен.
Питание ВЧ разрядных каналов комбинированного разряда может осуществляться с помощью двух ВЧ генераторов напряжения. В состав источника ионов входят основной и дополнительный ВЧ генераторы напряжения. В данном варианте реализации изобретения первый электрод второго разрядного канала подключается к первому выходу дополнительного ВЧ генератора напряжения, второй выход которого заземлен. Второй электрод второго разрядного канала заземлен. Узел ввода энергии первого разрядного канала, как и в других вариантах реализации изобретения, подключается к выходу основного ВЧ генератора напряжения.
В качестве узла ввода энергии могут использоваться различные технические средства, обеспечивающие возбуждение электрической компоненты ВЧ поля в полости газоразрядной камеры. К таким средствам, в частности, относится индуктор (соленоидальная антенна), выполненный в форме цилиндрической спирали, витки которой расположены с внешней стороны газоразрядной камеры, и ВЧ антенны различной пространственной конфигурации, в том числе ВЧ антенны, выполненные в виде проводника зигзагообразной, периодически повторяющейся формы (патент RU 2121729 C1). Витки ВЧ антенн могут иметь различную форму.
В общем случае узел ввода энергии представляет собой проводник изогнутой формы, участки которого образуют витки, расположенные с внешней стороны газоразрядной камеры. Проводник узла ввода энергии подключается к выходу ВЧ генератора. Возможно подключение проводника узла ввода энергии следующим образом: первый вывод проводника узла ввода энергии подключается к выходу ВЧ генератора напряжения, а второй вывод проводника заземляется.
Целесообразно использовать в составе источника ионов по меньшей мере одну электромагнитную катушку, соосно установленную с внешней стороны газоразрядной камеры. С помощью одной или нескольких электромагнитных катушек в полости газоразрядной камеры создается внешнее магнитное поле с конфигурацией силовых линий, образующих так называемое магнитное сопло. Использование магнитного сопла позволяет пространственно ограничить объем, занимаемый плазмой ВЧ разряда, как в полости камеры, так и на выходе из камеры. Данный эффект описан, например, в патентной заявке US 20160200458 А1 (дата публикации: 14.06.2016).
Вместе с тем, как показали проведенные исследования, возбуждение внешнего магнитного поля в плазме ВЧ разряда позволяет повысить эффективность поглощения вводимой ВЧ энергии и за счет этого повысить концентрацию заряженных частиц (плотность плазмы) в разрядном объеме. Для источника ионов, выполненного согласно изобретению, целесообразно создавать в газоразрядном объеме электромагнитное поле с индукцией не более 200 Гс, предпочтительно от 30 до 40 Гс. Повышение эффективности поглощения ВЧ мощности в плазме ВЧ разряда объясняется резонансным возбуждением волн, которые нельзя полностью идентифицировать как геликонные волны.
Электромагнитная катушка, предназначенная для создания внешнего магнитного поля, преимущественно устанавливается между узлом ввода энергии и выходным сечением второго участка газоразрядной камеры для формирования расчетной конфигурации силовых линий магнитного поля в области выходного сечения газоразрядной камеры.
В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что при возбуждении в газоразрядной камере комбинированного разряда, один из разрядных каналов которого образован ВЧ разрядом, в частности индуктивным ВЧ разрядом, доминирующими факторами, определяющими плотность плазмы и, соответственно, плотность потока ускоренных ионов являются мощность ВЧ генератора, подключенного к узлу ввода энергии, и величина индукции внешнего магнитного поля. При этом влияние внешнего магнитного поля на поглощение ВЧ энергии носит вспомогательный усиливающий характер.
Энергия потока ускоренных ионов зависит от величины приэлектродного падения потенциала у второго электрода второго разрядного канала. Вследствие этого управление энергией ионов может осуществляться с помощью электродов второго разрядного канала, выполняющих функции системы извлечения и ускорения ионов. При использовании в источнике ионов указанных свойств комбинированного разряда появляется возможность независимого управления плотностью тока и энергией ионов в широких диапазонах значений плотности тока и энергии ионов.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения источника ионов. Представленные примеры относятся к предпочтительным вариантам осуществления изобретения и не исчерпывают все возможные частные случаи реализации изобретения.
На прилагаемых поясняющих чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 - схематичное изображение источника ионов с электродами, подключенными к источнику постоянного тока;
на фиг. 2 - схематичное изображение источника ионов с электродами, один из которых подключен к дополнительному ВЧ генератору напряжения, а второй заземлен и соединен с первым электродом через катушку индуктивности;
на фиг. 3 - схематичное изображение источника ионов с электродами, один из которых подключен к основному ВЧ генератору напряжения через регулируемый разделительный конденсатор, а второй заземлен;
на фиг. 4 - схематичное изображение источника ионов с электродами, один из которых подключен к дополнительному ВЧ генератору напряжения, а второй заземлен.
Источник ионов, изображенный на фиг. 1 чертежей, относится к варианту осуществления изобретения с электродами, подключенными к источнику постоянного тока. Источник ионов содержит газоразрядную камеру (ГРК) с двумя последовательно сопряженными участками. ГРК имеет осесимметричную форму и выполнена из проницаемого для электромагнитного излучения диэлектрического материала. В рассматриваемых примерах используется ГРК, выполненная из кварцевого стекла.
Первый участок 1 ГРК имеет цилиндрическую форму и расположен со стороны патрубка 2 ввода газообразного рабочего вещества. Внутренний диаметр участка 1 составляет 60 мм. Второй участок 3 ГРК сопряжен с выходной частью участка 1 и выполнен сужающимся в направлении извлечения и ускорения ионов. Участок 3 ГРК имеет форму усеченного конуса. В выходной части участка 3 образовано выходное отверстие ГРК, диаметр которого составляет 22 мм.
В качестве узла ввода энергии используется соленоидальная антенна, образованная проводником изогнутой формы, в виде индуктора 4, имеющего форму цилиндрической спирали. Витки индуктора 4 расположены с внешней стороны первого участка 1 ГРК. Первый вывод индуктора 4 подключен к выходу ВЧ генератора напряжения 5, а его второй вывод заземлен.
Система извлечения и ускорения ионов содержит два электрода. Первый электрод выполняет функцию анода 6 и размещен в полости первого участка 1 ГРК со стороны патрубка 2 ввода газообразного рабочего вещества. Второй электрод имеет кольцеобразную форму и выполняет функцию катода 7, который устанавливается соосно ГРК в полости ее второго участка 3 со стороны выходного отверстия ГРК. Анод 6 и катод 7 подключены к разноименным клеммам источника постоянного тока 8: анод 6 к клемме положительной полярности, а катод 7 - к клемме отрицательной полярности.
Источник ионов включает в свой состав электромагнитную катушку 9, установленную соосно ГРК с ее внешней стороны между индуктором 4 и выходным сечением второго участка 3 ГРК.
Источник ионов, изображенный на фиг. 2 чертежей, относится ко второму варианту осуществления изобретения. Источник ионов содержит два электрода, один из которых подключен к дополнительному ВЧ генератору напряжения, а второй заземлен и соединен с первым электродом через катушку индуктивности.
Аналогично первому варианту осуществления изобретения ГРК имеет осесимметичную форму и включает два последовательно сопряженных участка. Первый цилиндрический участок 10 расположен со стороны патрубка 11 ввода газообразного рабочего вещества. Второй участок 12 имеет коническую форму и сопряжен с выходной частью участка 10. Индуктор 13, выполняющий функцию узла ввода энергии в ГРК, установлен с внешней стороны участка 10 и подключен к выходу основного ВЧ генератора напряжения 14. Вторые выводы индуктора 13 и ВЧ генератора 14 заземлены.
2
2
Система извлечения и ускорения ионов содержит два электрода. Первый электрод 15 размещен в полости первого участка 10 ГРК со стороны патрубка 11 ввода газообразного рабочего вещества и подключен к первому выходу дополнительного ВЧ генератора напряжения 16, второй выход которого заземлен. Второй электрод 17 имеет кольцеобразную форму и установлен в полости второго участка 12 ГРК со стороны его выходного сечения. Электрод 17 заземлен и соединен с первым электродом 15 через внешнюю электрическую цепь с катушкой индуктивности 18, которая выполняет функцию дросселя в цепи. В рассматриваемом примере площадь поверхности второго электрода 17 превышает более чем в четыре раза площадь поверхности первого электрода 15 со стороны полости ГРК. Площадь поверхности электрода 15 составляет 7 см, а площадь поверхности электрода 17-30 см.
Источник ионов включает в свой состав электромагнитную катушку 19, установленную с внешней стороны ГРК между индуктором 13 и выходным сечением (выходным отверстием) второго участка 12 ГРК. Активное сопротивление электромагнитной катушки 19 составляет от 0,1 до 0,5 Ом, а ее индуктивность не менее 150 мкГн.
Источник ионов, изображенный на фиг. 3 чертежей, относится к третьему варианту осуществления изобретения. Источник ионов содержит два электрода системы извлечения и ускорения ионов, расположенных с внешней стороны ГРК, включающей два последовательно сопряженных участка. Первый цилиндрический участок 20 расположен со стороны патрубка 21 ввода газообразного рабочего вещества. Второй участок 22 имеет коническую форму и сопряжен с выходной частью первого участка 20. Индуктор 23, выполняющий функцию узла ввода энергии в ГРК, установлен с внешней стороны участка 20 и подключен к выходу ВЧ генератора напряжения 24. Вторые выводы индуктора 23 и ВЧ генератора 24 заземлены.
Первый электрод 25 системы извлечения и ускорения ионов установлен с внешней стороны первого участка 20 ГРК у его торцевой части с патрубком 21 ввода газообразного рабочего вещества. Второй электрод 26 имеет кольцеобразную форму и установлен с внешней стороны второго участка 22 у его выходного сечения (выходного отверстия). Первый электрод 25 подключен к выходу ВЧ генератора 24 через регулируемый разделительный конденсатор 27, а второй электрод 26 заземлен.
Источник ионов включает в свой состав электромагнитную катушку 28, установленную с внешней стороны ГРК между индуктором 23 и выходным сечением второго участка 22 ГРК.
Источник ионов, изображенный на фиг. 4 чертежей, относится к четвертому варианту осуществления изобретения. Источник ионов содержит два электрода системы извлечения и ускорения ионов, расположенных с внешней стороны ГРК, включающей два последовательно сопряженных участка.
Первый цилиндрический участок 29 расположен со стороны патрубка 30 ввода газообразного рабочего вещества. Второй участок 31 имеет коническую форму и сопряжен с выходной частью участка 29. Индуктор 32, выполняющий функцию узла ввода энергии в ГРК, установлен с внешней стороны участка 29 и подключен к выходу основного ВЧ генератора напряжения 33. Вторые выводы индуктора 32 и ВЧ генератора 33 заземлены.
Первый электрод 34 системы извлечения и ускорения ионов установлен с внешней стороны первого участка 29 ГРК у его торцевой части с патрубком 30 ввода газообразного рабочего вещества. Второй электрод 35 имеет кольцеобразную форму и установлен с внешней стороны второго участка 31 у его выходного сечения (выходного отверстия). Первый электрод 34 подключен к первому выходу дополнительного ВЧ генератора напряжения 36, второй выход которого заземлен. Второй электрод 35 заземлен.
Источник ионов, соответствующий четвертому примеру реализации изобретения, также включает в свой состав электромагнитную катушку 37, установленную с внешней стороны ГРК между индуктором 32 и выходным сечением второго участка 31.
Работа источника ионов, схема которого изображена на фиг. 1 чертежей, осуществляется следующим образом.
-4
3
Источник ионов устанавливается в вакуумной камере и подключается к системам электропитания и подачи газообразного рабочего вещества, затем производится откачка вакуумной камеры до остаточного давления не хуже 10 торр. В полость ГРК источника ионов через патрубок 2 подается газообразное рабочее вещество. В рассматриваемом примере в качестве рабочего газа используется аргон. Рабочий газ подается в ГРК с расходом не более 30 см/мин.
-3
Давление в вакуумной камере в процессе работы источника ионов поддерживается на уровне менее 10 торр. На индуктор 4, выполняющий функцию узла ввода энергии, подается ВЧ напряжение с выхода ВЧ генератора напряжения 5. Подача напряжения осуществляется через систему согласования, с помощью которой производится согласование выходного сопротивления ВЧ генератора 5 с нагрузкой - плазмой ВЧ разряда (на поясняющем чертеже система согласования не показана).
3
Для инициации электрического разряда в ГРК мощность ВЧ генератора 5 увеличивают до момента зажигания разряда в полости ГРК. Ввод ВЧ энергии в полость ГРК производится через стенки ГРК, выполненные из проницаемого для электромагнитного излучения диэлектрического материала, в частности из кварцевого стекла. После инициации электрического разряда расход рабочего газа снижают до значений от 8 до 15 см/мин и устанавливают мощность ВЧ генератора 5 в диапазоне расчетных рабочих значений.
На электромагнитную катушку 9, соосно установленную с внешней стороны ГРК между индуктором 4 и выходным сечением участка 3, подается напряжение от источника электропитания (на схематичном чертеже не показан). Ток, протекающий через электромагнитную катушку 9, увеличивают до достижения значений индукции магнитного поля, при которых обеспечивается наиболее эффективное поглощение ВЧ энергии в разрядном объеме ГРК. Оптимальный диапазон значений индукции магнитного поля в полости ГРК составляет от 10 до 200 Гс, предпочтительно от 30 до 40 Гс.
Кроме того, с помощью электромагнитной катушки 9 в полости ГРК создается магнитное поле с конфигурацией силовых линий, образующих так называемое магнитное сопло в области выходного сечения участка 3. За счет формирования магнитного сопла объем, занимаемый плазмой ВЧ разряда, пространственно ограничивается силовыми линиями магнитного поля.
На электроды (анод и катод) 6 и 7 системы извлечения и ускорения ионов подается постоянное напряжение от источника постоянного тока 8. За счет приложенной разности потенциалов осуществляется электростатическое ускорение ионов из области генерации плазмы. Пространственный заряд ускоренного потока ионов компенсируется электронами плазмы ВЧ разряда, которые перемещаются из полости ГРК вслед за ионами, преодолевая потенциальный барьер отрицательной полярности вблизи катода 7 под действием самосогласованного электростатического поля, формируемого ускоренными ионами.
Величина напряжения, подаваемого от источника 8 на анод 6 и катод 7, которые установлены в противоположных частях ГРК, выбирается в зависимости от заданной величины энергии ионов на выходе из источника ионов. Изменение плотности ионного тока при фиксированной энергии ионов, устанавливаемой с помощью источника постоянного тока 8, обеспечивается путем изменения мощности регулируемого ВЧ генератора 5. После изменения условий горения разряда и, соответственно, после изменения характеристик генерируемого потока ионов проводят дополнительное согласование выходных параметров ВЧ генератора 5 с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда).
2
В результате проведенных исследований при использовании экспериментальной модели источника ионов установлено, что плотность ионного тока на выходе из ГРК может изменяться (регулироваться) посредством изменения мощности ВЧ генератора 5 в диапазоне значений от 5 до 70 мА/см. При этом энергия ионов может независимо регулироваться за счет изменения разности потенциалов между анодом 6 и катодом 7 в диапазоне значений от 40 до 300 эВ.
Процессы, происходящие при работе источника ионов, связаны с использованием двух газоразрядных систем. Для ионизации рабочего вещества, извлечения и ускорения ионов используются две независимо управляемые газоразрядные системы, с помощью которых формируются два разрядных канала комбинированного ВЧ разряда. Первая газоразрядная система образована индуктором 4, выполняющим функцию узла ввода ВЧ энергии. Вторая газоразрядная система включает электроды 6 и 7 системы извлечения и ускорения ионов.
Извлечение и ускорение ионов из плазмы ВЧ разряда, генерируемой на первом участке 1, происходит под действием приэлектродного падения потенциала на втором участке 3 в области выходного сечения ГРК. Падение потенциала пространственно локализуется в выходном отверстии участка 3, диаметр которого меньше диаметра цилиндрического участка 1. Ионы, образующиеся в плазме ВЧ разряда, направляются во второй сужающийся участок 3 и попадают в область действия приэлектродного падения потенциала у катода 7. Под действием создаваемой разности потенциалов происходит формирование и ускорение потока ионов.
Приэлектродное падение потенциала, локализованное в области выходного отверстия ГРК, формируется за счет использования сужающегося в направлении извлечения ионов второго участка 3. Для равномерного по сечению выходного отверстия извлечения ионов диаметр отверстия выбирается приблизительно равным удвоенному характерному размеру области приэлектродного падения потенциала со стороны катода 7. В рассматриваемом примере удвоенный характерный размер области приэлектродного падения потенциала вблизи катода 7 составляет 20 мм, а диаметр выходного отверстия выходного участка 3 ГРК 22 мм. Таким образом, радиус выходного отверстия по порядку величины соответствует характерному размеру приэлектродного падения потенциала у катода 7.
Применение двух газоразрядных систем позволяет создать два независимо регулируемых канала разряда. С помощью первого канала разряда осуществляется ионизация рабочего вещества за счет ввода ВЧ энергии в ГРК и регулирование плотности ионного тока посредством изменения вводимой в ГРК ВЧ энергии. Второй разрядный канал, образованный анодом 6 и катодом 7, обеспечивает независимое регулирование энергии извлекаемых и ускоряемых ионов.
Работа источника ионов, схема которого изображена на фиг. 2 чертежей, осуществляется аналогичным образом.
На индуктор 13 подается ВЧ напряжение с выхода основного ВЧ генератора напряжения 14. ВЧ напряжение подается через систему согласования, с помощью которой осуществляется согласование выходного сопротивления ВЧ генератора 14 с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда).
3
Для инициации электрического разряда мощность ВЧ генератора 14 увеличивают до зажигания разряда в полости ГРК. После инициации электрического разряда расход рабочего газа снижают до значений от 8 до 15 см/мин и устанавливают мощность ВЧ генератора 14 в диапазоне расчетных рабочих значений.
На электромагнитную катушку 19 подается напряжение от источника электропитания. Ток, протекающий через электромагнитную катушку 19, выполняющую функцию электромагнита, увеличивают до достижения значений индукции магнитного поля, при которых обеспечивается наиболее эффективное поглощение ВЧ энергии в разрядном объеме ГРК. С помощью электромагнитной катушки 19 в полости ГРК создается магнитное поле с конфигурацией силовых линий, образующих магнитное сопло, что позволяет пространственно ограничить объем, занимаемый плазмой ВЧ разряда.
После этого включают дополнительный (второй) ВЧ генератор 16, с выхода которого ВЧ напряжение подается на электрод 15, расположенный в полости первого участка 10 ГРК. Между электродом 15 и заземленным электродом 17, расположенным в полости второго участка 12 ГРК, создается разность потенциалов, под действием которой происходит извлечение и ускорение ионов. Пространственный заряд ускоренного потока ионов компенсируется электронами плазмы ВЧ разряда, которые перемещаются из полости ГРК вслед за ионами, преодолевая потенциальный барьер вблизи второго электрода 17 под действием самосогласованного электростатического поля, образуемого ускоренными ионами.
Значение ВЧ напряжения, подаваемого на электрод 15 от ВЧ генератора 16, выбирается в зависимости от заданной величины энергии ионов на выходе из ГРК. Изменение плотности ионного тока при заданной энергии ионов обеспечивается путем регулирования мощности ВЧ генератора 14. После изменения условий горения ВЧ разряда, в случае необходимости, производится дополнительное согласование выходных характеристик ВЧ генератора напряжения 14 с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда).
В рассматриваемом примере площадь поверхности второго электрода 17 отдельно и с учетом площади поверхности других заземленных элементов конструкции источника ионов существенно превышает площадь поверхности первого электрода 15. Вследствие этого при зажигании ВЧ разряда в ГРК между первым электродом 15 и заземленными частями источника ионов образуются паразитные емкости, что приводит к смещению области с максимальным приэлектродным падением потенциала к первому электроду 15.
Для пространственной локализации приэлектродного падения потенциала вблизи второго электрода 17, в области выходного сечения второго участка 12, в электрическую цепь между электродом 15 и заземленным электродом 17 включена катушка индуктивности 18 с малым активным сопротивлением, импеданс которой по высокой частоте существенно превышает импеданс электрического разряда. Индуктивность катушки 18 составляет не менее 150 мкГн при активном сопротивлении от 0,1 до 0,5 Ом.
За счет использования катушки индуктивности 18 обеспечивается замыкание электродов 15 и 17 по постоянному току и размыкание электродов по ВЧ току через цепь электропитания, при этом ВЧ ток между электродами 15 и 17 протекает через разрядный промежуток в ГРК. При данных условиях приэлектродное падение потенциала локализуется вблизи второго электрода 17. Вследствие этого извлечение ионов из плазмы ВЧ разряда и ускорение ионов на выходе из ГРК осуществляется под действием электростатического поля, сформированного в области выходного отверстия второго участка 12 ГРК.
Работа источника ионов, схема которого изображена на фиг. 3 чертежей, осуществляется аналогично описанным выше примерам реализации изобретения. Отличия в работе источника ионов связаны с расположением электродов 25 и 26 системы извлечения и ускорения ионов с внешней стороны первого участка 20 и второго участка 22 ГРК.
3
На индуктор 23 подается ВЧ напряжение с выхода ВЧ генератора напряжения 24. ВЧ напряжение подается через систему согласования, с помощью которой осуществляется согласование выходного сопротивления ВЧ генератора с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда). Для инициации электрического разряда в ГРК мощность ВЧ генератора 24 увеличивают до зажигания ВЧ разряда в полости ГРК. После инициации разряда расход рабочего газа снижают до значений от 8 до 15 см/мин и устанавливают мощность ВЧ генератора 24 в диапазоне расчетных рабочих значений.
Одновременно с выхода ВЧ генератора 24 ВЧ напряжение подается через регулируемый разделительный конденсатор 27 на электрод 25 системы извлечения и ускорения ионов. При этом второй электрод 26 системы извлечения и ускорения ионов заземлен. Величина емкости разделительного конденсатора 27 изменяется в диапазоне от 5 до 100 пФ. С помощью разделительного конденсатора 27 производится регулирование разности потенциалов между электродами 25 и 26 без изменения мощности ВЧ генератора 24. На электрод 25 подается напряжение, при котором достигается заданная величина энергии ионов на выходе из ГРК.
Пространственный заряд ускоренного потока ионов компенсируется электронами плазмы ВЧ разряда, которые перемещаются из полости ГРК вслед за ионами, преодолевая потенциальный барьер у электрода 26 под действием самосогласованного электростатического поля, создаваемого ускоренными ионами. При изменении режима работы источника ионов, в случае необходимости, производится согласование выходных характеристик ВЧ генератора 24 с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда).
На электромагнитную катушку 28 подается напряжение от источника электропитания. Ток, протекающий через электромагнитную катушку 28, увеличивают до достижения значений индукции магнитного поля, при которых обеспечивается наиболее эффективное поглощение ВЧ мощности в разрядном объеме ГРК. С помощью электромагнитной катушки 28 в полости ГРК создается магнитное поле с конфигурацией силовых линий, образующих магнитное сопло, что позволяет пространственно ограничить объем, занимаемый плазмой ВЧ разряда.
Работа источника ионов, схема которого изображена на фиг. 4 чертежей, осуществляется аналогично описанному выше примеру реализации изобретения. Отличие в процессе работы источника ионов заключается в использовании для электропитания двух независимо управляемых газоразрядных систем двух ВЧ генераторов напряжения 33 и 36.
Электропитание индуктора 32 осуществляется от основного ВЧ генератора 33, один выход которого подключен к индуктору 32, а второй заземлен. Разность потенциалов между электродами 34 и 35 системы извлечения и ускорения ионов создается с помощью дополнительного (второго) ВЧ генератора 36, один выход которого подключен к электроду 34 со стороны первого участка 29 ГРК, а второй выход заземлен. Второй электрод 35, размещенный с внешней стороны второго участка 31 ГРК, заземлен.
3
На индуктор 32 подается ВЧ напряжение с выхода ВЧ генератора 33. ВЧ напряжение подается через систему согласования, с помощью которой осуществляется согласование выходного сопротивления ВЧ генератора 33 с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда). Для инициации электрического разряда мощность ВЧ генератора 33 увеличивают до зажигания разряда в полости ГРК. После инициации электрического разряда расход рабочего газа снижают до значений от 8 до 15 см/мин и устанавливают мощность ВЧ генератора 33 в диапазоне расчетных рабочих значений.
На электромагнитную катушку 37 подается напряжение от источника электропитания. Ток, протекающий через электромагнитную катушку 37, увеличивают до достижения значений индукции магнитного поля, при которых обеспечивается наиболее эффективное поглощение ВЧ мощности в разрядном объеме ГРК. С помощью электромагнитной катушки 37 в полости ГРК создается магнитное поле с конфигурацией силовых линий, образующих магнитное сопло, что позволяет пространственно ограничить объем, занимаемый плазмой ВЧ разряда.
С выхода ВЧ генератора 36 напряжение подается на электрод 34, расположенный с внешней стороны первого участка 29 у торцевой части ГРК с патрубком 30. Между электродами 34 и 35 создается разность потенциалов, под действием которой осуществляется извлечение и ускорение ионов. Пространственный заряд ускоренного потока ионов компенсируется электронами плазмы ВЧ разряда, которые перемещаются из полости ГРК вслед за ионами, преодолевая потенциальный барьер у электрода 35 под действием самосогласованного электростатического поля, создаваемого ускоренными ионами.
Значение ВЧ напряжения, подаваемого на электрод 34 от ВЧ генератора 36, выбирается в зависимости от заданной величины энергии ионов на выходе из ГРК. Изменение плотности ионного тока при заданном значении энергии ионов производится путем регулирования мощности ВЧ генератора 33. При изменении режима работы источника ионов в результате изменения энергии и плотности тока ионов, в случае необходимости, производится повторное согласование выходных характеристик ВЧ генератора 33 с нагрузкой (плазмой ВЧ разряда).
Описанные выше примеры реализации изобретения подтверждают возможность решения ряда технических задач. Изобретение позволяет исключить из состава источника ионов перфорированные (сеточные) электроды, контактирующие с заряженными частицами в области выходного отверстия ГРК, и обеспечить условия для независимого регулирования плотности тока и энергии ускоренных ионов на выходе из ГРК. В результате увеличивается ресурс, повышается надежность, упрощается конструкция источника ионов и появляется возможность независимого регулирования плотности тока и энергии ускоренных ионов.
Приведенные выше варианты осуществления изобретения основываются на примерах при использовании конкретной формы ГРК и ее отдельных участков, а также при определенной форме выполнения узла ввода ВЧ энергии в ГРК. В приведенных примерах описана модель источника ионов, включающая в свой состав одну электромагнитную катушку, установленную с внешней стороны ГРК между узлом ввода энергии и выходным отверстием второго участка ГРК. В качестве газообразного рабочего вещества используется инертный газ (аргон). В устройстве используется ГРК, выполненная из кварцевого стекла. Однако описанные выше частные случаи реализации изобретения не исключает возможности достижения технических результатов и в других случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы.
Второй участок ГРК, сужающийся в направлении извлечения и ускорения ионов, может быть образован, например, параболоидом вращения, или иметь сложную ступенчато сужающуюся форму.
В качестве узла ввода ВЧ энергии наряду с соленоидальной антенной (индуктором), традиционно применяемой для генерации плазмы ВЧ разряда (патенты RU 2682744 C2 и US 4849675), могут использоваться и иные ВЧ антенны, имеющие различную форму выполнения. Для этой цели могут применяться, например, ВЧ антенны, используемые для возбуждения геликонных волн в газоразрядных устройствах. Форма таких ВЧ антенн, выполняющих функцию узла ввода ВЧ энергии в разрядный объем, раскрыта в описаниях к патентам RU 2095877 C1 и RU 2121729 C1, а также в научно-технических публикациях (Shinohara S. Helicon high-density plasma sources: physics and applications // Advances in Physics: X. 2018. V. 3, №1, P. 185-220; IOPSCIENCE [сайт]. URL: https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1420424).
Для указанных выше вариантов выполнения ВЧ антенны, выполняющей функцию узла ввода энергии, характерно выполнение проводника изогнутой формы. Участки проводника таких ВЧ антенн образуют витки различной формы, расположенные с внешней стороны ГРК.
С внешней стороны ГРК может быть установлено несколько последовательно расположенных электромагнитных катушек, с помощью которых в ГРК создается конфигурация силовых линий магнитного поля, образующих магнитное сопло в полости ГРК и за пределами ее выходного сечения (US 20160200458 A1). Количество и расположение электромагнитных катушек выбирается в зависимости от размеров и формы ГРК, требуемой конфигурации силовых линий магнитного поля и заданной величины индукции магнитного поля в полости ГРК, при которой достигается эффективное поглощение вводимой энергии в плазме ВЧ разряда.
Наряду с аргоном в источнике ионов могут использоваться и другие инертные газы, в том числе ксенон и азот. В плазмохимических технологических процессах в качестве газообразного рабочего вещества, подаваемого в ГРК, могут применяться смеси химически активных газов, содержащие кислород, фтор, хлор и иные рабочие вещества.
ГРК может выполняться не только из кварцевого стекла, но из любого иного проницаемого для электромагнитного излучения диэлектрического материала, отвечающего технологическим и эксплуатационным требованиям, предъявляемым к источникам ионов в соответствии их назначением. В качестве материала ГРК могут использоваться высокотемпературные керамики, обладающие диэлектрическими свойствами, например электротехнический корунд марки ВК-94-1.
Форма выполнения элементов конструкции источника ионов, конкретные параметры электропитания, вид газообразного рабочего вещества, его расход и давление в ГРК выбираются в каждом конкретном случае в зависимости от конкретной задачи, решаемой с помощью источника ионов, и выбранных рабочих характеристик источника ионов.
Изобретение может применяться в ионно-плазменных технологических установках различного назначения, в том числе при использовании ионных пучков для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации, очистки поверхностей и модификации поверхностных свойств материалов.