Источник быстрых нейтральных частиц
SOURCE OF FAST NEUTRAL PARTICLES

Изобретение относится к области генерации потоков ускоренных нейтральных частиц, предназначенных для очистки и подготовки поверхностей разнообразного назначения к нанесению покрытий.
Применение потоков быстрых нейтральных частиц представляется многообещающим методом обработки поверхностей полупроводников и диэлектриков. Использование для этих целей ионных пучков приводит к возникновению потенциала на обрабатываемой поверхности, что замедляет дальнейшую обработку. Обработка поверхности пучками быстрых нейтральных частиц позволяет производить очистку широкозонных полупроводников и диэлектриков и не приводит к возникновению потенциала на поверхности. Кроме этого, в процессе обработки быстрыми нейтральными частицами деградирование поверхности из-за зарядовых эффектов не наблюдается.
Для получения структур высокого качества необходимо осуществлять обработку поверхности в технологической камере при низком давлении. Уменьшение давления увеличивает расстояние, на котором будет происходить термализация потока частиц. Этот факт позволяет увеличить расстояние между обрабатываемой поверхностью и источником быстрых нейтральных частиц.
Известен источник быстрых нейтральных частиц [Бабинов Н. А., Барченко В. Т., Лисенков А. А., Быстров Ю. А. Патент на полезную модель№ 148505. Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 10 декабря 2014 года]. В состав рассматриваемого источника входит три изолированных электрода: анод, основной катод, представляющий собой комплекс плоскопараллельных пластин, и полый отражающий электрод, у которого выходная апертура по форме и размерам соответствует основному катоду. При этом основной и дополнительный катоды располагаются так, что образуют квазизамкнутый объем между собой. Анод источника электрически присоединяется к стенкам камеры. Основной катод подключается к отрицательному напряжению источника питания. Отражающий электрод изолирован, потенциал на нем относительно анода устанавливается из условия равенства электронного и ионного токов. Так как масса электронов существенно меньше массы ионов, и электронный ток насыщения, соответственно, значительно больше, на отражающем электроде возникает отрицательный потенциал, тормозящий электроны, величина которого обуславливается процессами внутри плазмы и особенностями горения тлеющего разряда. Вследствие этого возможно отражение электронов электростатическим полем отражающего электрода.
Главными недостатками данного источника являются: а) распыление материала отражающего электрода и, как следствие этого, наличие в генерируемом пучке частиц большого числа атомов металла электрода; б) неэффективная обработка поверхностей сложной формы.
Известен источник быстрых нейтральных частиц [Бабинов Н. А., Барченко В. Т., Виноградов М. Л., Лисенков А. А., Быстров Ю. А. Патент на полезную модель № 148499. Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 10 декабря 2014 года]. В состав данного источника входит три изолированных электрода: анод, основной катод, представляющий собой комплекс плоскопараллельных пластин, и дополнительный полый катод, у которого выходная апертура по форме и размерам соответствует основному катоду. Основной и дополнительный катоды располагаются так, что образуется квазизамкнутый объем между собой. Анод источника электрически присоединяется к стенкам камеры. Основной и дополнительный катоды подключаются к отрицательному напряжению от двух разных источников питания. На дополнительный катод подается меньшее напряжение для уменьшения его распыления. В дополнительном катоде имеется отверстие, через которое осуществляется напуск рабочего газа. За счет напуска газа в квазизамкнутый объем, с учетом непрерывной откачки газа из внешнего объема, возможно создание перепада давлений между областью существования газового разряда и внешним объемом источника, что позволяет уменьшить его рабочее давление. Однако пластинчатый катод источника обладает высокой газовой проводимостью, из-за чего перепад давлений мал. Давление в газоразрядном объеме источника приблизительно в 2.5 раза превышает давление вне источника, из-за этого при давлении 2 Па в технологической камере напряжение существования газового разряда в источнике составляет около 1500 В. Этот факт ограничивает его применение при меньшем давлении, поскольку требуемое напряжение источника питания становится слишком большим.
Главными недостатками данного источника являются: распыление материала дополнительного катода и, как следствие этого, наличие в генерируемом пучке частиц большого числа атомов металла электрода; б) неэффективная обработка поверхностей сложной формы.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является источник быстрых нейтральных частиц [Бабинов Н. А., Виноградов М. Л., Лисенков А. А. Патент на полезную модель № 158216. Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 07 июля 2015 года]. В состав данного источника входит анод, основной катод, представляющий собой комплекс плоскопараллельных пластин, дополнительный полый катод, у которого выходная апертура по форме и размерам соответствует основному катоду, и газораспределитель, имеющий вид пластины с отверстиями. Основной и дополнительный катоды располагаются так, что образуется квазизамкнутый объем между собой. У основного и дополнительного катодов имеются вводы для подачи отрицательного напряжения от двух разных источников питания. Анод имеет ввод для заземления. В дополнительном катоде имеется отверстие для напуска газа. Газораспределитель делит квазизамкнутый объем, образованный основным и дополнительным катодами, на две части (входной и рабочий объемы), при этом во входной объем введен вспомогательный электрод, имеющий ввод для подачи положительного напряжения источника питания.
Главным недостатком этого источника является то, что он не позволяет эффективно производить обработку поверхностей сложной формы, а также то, что не все быстрые ионы из потока нейтрализуются на стенках пластин, и обрабатываемая поверхность подвергается воздействию высокоэнергетичных ионов. В некоторых случаях воздействие высокоэнергетических ионов приводит к образованию дефектов. При длительной обработке на поверхности образовывается потенциал, сопоставимый с энергией ионов, что способствует формированию пробоя тонких диэлектрических пленок, а также к другим повреждениям поверхности.
Задачей, решаемой изобретением является: уменьшение содержания высокоэнергетических ионов в выходном потоке частиц источника, что, в свою очередь, приведет к получению технического результата, заключающегося в улучшении качества обработки поверхности сложной формы.
Указанный технический результат возникает за счет того, что источник быстрых нейтральных частиц, содержит основной катод, дополнительный полый катод, у которого выходная апертура по форме и размерам соответствует основному катоду, при этом основной и дополнительный катоды расположены таким образом, что создают квазизамкнутый объем, а также анод и газораспределительную пластину с отверстиями, при этом газораспределительная пластина делит квазизамкнутый объем, образованный основным и дополнительным катодами, на входной и рабочий объемы, во входном объеме имеются отверстия для напуска рабочего газа, основной катод изготовлен в виде цельного, массивного блока изогнутой формы, соответствующей профилю обрабатываемой детали, на рабочей поверхности которого вскрыты каналы, отверстия которых ориентированы под углом по отношению к рабочей плоскости основного катода, и дополнительно содержит соленоид, расположенный снаружи основного и дополнительного катодов, предназначенный для создания магнитного поля, организовывающего упорядочиваемый характер движения ионов в направлении основного катода.
Изобретение поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена схема источника быстрых нейтральных частиц.
Предлагаемый источник быстрых нейтральных частиц (фиг. 1) включает в себя три электрода: анод 1, основной катод 2 и дополнительный катод 3.
Основной катод 2 изготовлен в виде цельного, массивного блока изогнутой формы, соответствующей профилю обрабатываемой детали, на рабочей поверхности которого вскрыты отверстия 4, которые ориентированы под углом по отношению к рабочей плоскости основного катода 2. Дополнительный катод 3 выполнен полым, его выходная апертура по форме и размерам соответствует основному катоду 2. Основной катод 2 и дополнительный катод 3 расположены так, что создают квазизамкнутый объем, разделенный на две части газораспределительной пластиной 5: на входной объем 6 и рабочий объем 7. Газораспределительная пластина является металлической с отверстиями 8. Во входном объеме имеются отверстия 9 для напуска рабочего газа. Снаружи основного катода 2 и дополнительного катода 3 расположен соленоид 10, предназначенный для создания магнитного поля, которое организовывает упорядочиваемый характер движения ионов в направлении основного катода 2.
Устройство устанавливается в вакуумную камеру и его принцип работы заключается в следующем. Анод 1 заземляется, на основной катод 2 и дополнительный катод 3 подаются отрицательные напряжения от двух разных источников питания. Установка меньшего напряжения на дополнительном катоде 3, чем на основном катоде 2, позволяет уменьшить распыление дополнительного катода 3.
Рабочий газ подается во входной объем 6, образованный дополнительным катодом 3 и газораспределительной пластины 5 через отверстие напуска 9. Далее газ поступает в рабочий объем 7 через отверстия 8 газораспределительной пластины 5.
При наличии рабочего газа в рабочем объеме 7 источника и подачи отрицательного напряжения на основной катод 2 возникает газовый разряд, занимающий рабочий объем 7. В газовом разряде возникают ионы, которые ускоряются катодным падением напряжения. Процесс нейтрализация ионов происходит в основном при отражении их от стенок каналов основного катода 2, но при этом, незначительная часть ионов нейтрализуется в разряде за счет процесса резонансной перезарядки.
В итоге нейтрализации образовывается направленный ускоренный поток нейтральных атомов, поступающий на обрабатываемую диэлектрическую поверхность 11.
Для поддерживания перепада давлений между входным 6 и рабочим 7 объемами используется газораспределительная пластина 5. Общая газовая проводимость отверстий 8 газораспределительной пластины 5 на порядок ниже проводимости отверстия напуска газа 9. Газораспределительная пластина 5 позволяет повысить скорость истекания газа за счет поддержания перепада давлений между двумя объемами 6 и 7. В зоне транспортировки зависимость давления рабочего газа является спадающей.
Для получения наибольшего коэффициента ионизации необходимо обеспечить высокое давление в рабочем объеме 7. С другой стороны для транспортирования потока нейтральных частиц в рабочем объеме 7 давление должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить вероятность столкновения пучков быстрых нейтральных частиц с атомами остаточного газа.
Для выполнения вышеуказанного условия напуск рабочего газа должен производиться непосредственно во входной объем 6 источника. При условии постоянной откачки вакуумной камеры и напуска рабочего газа в рабочий объем 7 источника, возможно создание между входным объемом 6 и рабочим пространством 12 вакуумной камеры перепада давлений.
Использование газораспределительной пластины 5 позволяет получить разницу давлений между входным объемом 6 источника и рабочим пространством 12 вакуумной камеры.
Общая газовая проводимость отверстий 4 основного катода 2 на порядок ниже проводимости отверстий 8 газораспределительной пластины 5. Газораспределительная пластина 5 создает равномерный напуск газа в зону для ионизации газа и резонансной перезарядки ионов. Это позволяет достичь равномерного горения разряда во всем рабочем объеме 7 источника, также способствует увеличению скорости течения газа благодаря разнице давлений между входным объемом 6 и рабочим пространством 12 вакуумной камеры.
Увеличение скорости подачи газа в рабочем объеме 7 источника позволяет повысить число актов ионизации в единицу времени, это позволяет повысить количество ионов, создаваемых в газовом разряде, то есть увеличивает коэффициент ионизации рабочего газа. Таким образом, повышение количества ионов, создаваемых в разряде, в результате, приводит к большому количеству нейтральных атомов в выходном потоке.
Для организации упорядочиваемого характера движения ионов, полученных в газовом разряде, по направлению к основному катоду 2 применяется внешнее магнитное поле, создаваемое соленоидом 10.
После нейтрализации ионов на основном катоде 2 поток нейтральных частиц попадает на обрабатываемую поверхность 11.
H
r
r
H
Для реализации источника быстрых нейтральных частиц основной катод 2 был выполнен в виде цельного, массивного блока толщиной  изогнутой формы, соответствующей профилю обрабатываемой детали. На рабочей поверхности основного катода 2 вскрыты отверстия 4 радиусом  на межцентровом расстоянии относительно друг друга. Ориентация отверстий по отношению к рабочей плоскости основного катода 2 выполнена под углом α (tgα = /). Размеры отверстий 4 подбирались из условия обеспечения прохождения ионов, влетающих перпендикулярно к поверхности, и попадания их на боковые стенки канала, где и происходит процесс нейтрализации. Условия прохождения ионов и их дальнейшая нейтрализация зависят от геометрических размеров основного катода 2: его толщины и радиуса отверстий.
Наклон отверстий 4 основного катода 2 подбирается таким образом, чтобы максимально направить поток нейтральных частиц на обрабатываемую поверхность 11.
Максимальная эффективность очистки обрабатываемой поверхности потоком нейтральных частиц достигается при использовании основного катода с отверстиями, ориентированными к рабочей поверхности под углом 12…15°.
Эффективность нейтрализации ионов на основном катоде исследовалась с помощью зондового метода. Зонды были установлены в разных точках пространства между основным катодом 2 и обрабатываемой поверхностью 11. Анализ зондовых измерений показал, что величина ионного тока от угла ориентации выходных отверстий уменьшается и после 12…15° остается практически постоянной величиной. Исследования также показали, что величина ионного тока на порядок ниже, чем в прототипе.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет снизить содержание высокоэнергетических ионов в выходном пучке нейтральных частиц и позволяет производить обработку поверхности сложной формы.