ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ
SOURCE OF FAST NEUTRAL ATOMS

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам быстрых нейтральных атомов, преимущественно к источникам пучков быстрых нейтральных атомов, для очистки и нагрева подложек в рабочей вакуумной камере перед осаждением на них покрытий с целью повышения адгезии, а также для сопровождения осаждения покрытий бомбардировкой их поверхности быстрыми атомами с целью улучшения качества покрытий.
2
2
2
Известны источники типа Кауфмана, в которых плазменный эмиттер ионов получают с помощью разряда с накаленным катодом в магнитном поле. Самый большой источник этого типа формирует пучок круглого сечения диаметром 50 см [Hayes A.V., Kanarov V., Vidinsky В. Fifty centimeter ion beam source. - Rev. Sci. Instrum. 1996. V.67. No4. P.1638-1641]. В нем плазменный эмиттер ионов аргона площадью около 0,2 м получают с помощью разряда в магнитном поле между цилиндрическим анодом и четырьмя блоками накаленных катодов из толстой вольфрамовой проволоки при давлении аргона 0,02-0,04 Па. Ионно-оптическая система (ИОС) этого источника состоит из двух сеток. При ускоряющем напряжении между ними 300 В ток пучка составляет 0,5÷1 А, при 500 В его величину можно изменять от 1 А до 2,2 А, а при энергии ионов 800÷900 эВ ток достигает 5 А, что соответствует максимальной плотности тока 25 А/м. С уменьшением энергии ниже 250 эВ плотность тока не превышает 1 А/м. Поэтому использовать источники Кауфмана для сопровождения осаждения покрытий ионами с энергией 50÷200 эВ при плотности ионного тока свыше 10 А/м не представляется возможным, и это является их основным недостатком. Существенными недостатками являются также использование накаленных катодов, что не позволяет получать пучки ионов химически активных газов, например кислорода, и сложность изготовления формоустойчивой при высоких температурах многоапертурной ИОС.
2
Известны источники пучков быстрых нейтральных молекул с поперечным сечением до 0,5÷1 м, в которых плазменный эмиттер ионов получают при давлении газа около 0,1 Па с помощью тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов в ловушке, включающей холодный полый катод и отрицательную по отношению к нему эмиссионную сетку [US Patent No 6285025, Int. Cl. H01S 1/00; H01S 3/00. Source of fast neutral molecules /A.S.Metel, S.N.Grigoriev/ PCT Filed Mar. 18, 1997 // Dated Sep.4, 2001]. Ионы ускоряются в промежутке между разделенными эмиссионной сеткой плазменным эмиттером, потенциал которого равен потенциалу расположенного внутри ловушки анода тлеющего разряда, и вторичной плазмой снаружи ловушки, потенциал которой практически равен потенциалу рабочей вакуумной камеры. Зависящая от геометрической прозрачности сетки доля ускоренных ионов (20÷25%) поглощается сеткой, а остальные поступают через отверстия сетки в рабочую камеру и на расстоянии около 0,1 м от сетки перезаряжаются, превращаясь при столкновениях с молекулами газа в быстрые нейтральные молекулы. Число быстрых нейтральных молекул, бомбардирующих поверхность подложки, расположенной на расстоянии 0,2 м от эмиссионной сетки, на порядок превышает число еще не перезарядившихся ионов. Отсутствие накаленных катодов позволяет получать пучки быстрых молекул химически активных газов, а ускорение ионов с использованием одной единственной сетки упрощает изготовление ИОС, снижает требования к формоустойчивости сетки при высоких температурах, уменьшает себестоимость источника и позволяет изготавливать источники с эмиссионной поверхностью любой площади и любой геометрической формы: цилиндрической, сферической, вогнутой, выпуклой и др. При уменьшении ускоряющего напряжения между анодом и рабочей камерой до величины, при которой потенциал полого катода становится ниже потенциала эмиссионной сетки, последняя поглощает эмитированные катодом электроны, и разряд погасает. Невозможность получать пучок с энергией, существенно меньшей величины, соответствующей катодному падению потенциала 400-600 В, а также неоднородность распределения плотности тока пучка по его сечению являются основными недостатками этих источников.
2
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является источник быстрых нейтральных молекул, в котором круглая эмиссионная сетка диаметром 12 см с 1224 отверстиями диаметром по 2 мм, равномерно распределенными внутри круга диаметром 0,1 м, и цилиндрический полый катод диаметром 0,12 м, длиной 0,08 м соединены между собой, анод расположен снаружи полого катода и выполнен в виде полого цилиндра, из которого рабочий газ поступает в полый катод через малое отверстие в стенке полого катода [Метель А.С., Мельник Ю.А. Особенности генерации плазмы в источнике быстрых молекул с полым анодом снаружи его электростатической ловушки. - Инженерная физика. 2005. Вып.2. С.26-29. Рис.1]. Перепад давления от 1 Па в полом аноде до 0,1 Па в полом катоде обеспечивает самостоятельность разряда с двойным электростатическим слоем между плазменным эмиттером внутри полого катода и проникающей в него из полого анода анодной плазмой. При равенстве потенциалов перекрытого сеткой полого катода и рабочей камеры во вторичную плазму внутри камеры из плазменного эмиттера внутри полого катода через отверстия сетки поступают ускоренные ионы, энергия которых соответствует катодному падению потенциала 400-600 В. На расстоянии от сетки 0,2 м и более они практически полностью перезаряжаются, превращаясь при столкновениях с молекулами газа в быстрые нейтральные молекулы. Кинетическая энергия бомбардирующих подложку нейтральных молекул равна энергии ускоренных ионов, однако теперь она уже не зависит от потенциала поверхности подложки. При подаче на полый катод напряжения смещения отрицательной полярности от включенного между ним и камерой источника постоянного напряжения между вторичной плазмой в камере и сеткой появляется слой положительного объемного заряда с падением потенциала на нем, равным напряжению смещения. Прошедшие через сетку ионы замедляются в этом слое, и их энергия уменьшается на соответствующую напряжению смещения величину. Когда напряжение смещения становится равным катодному падению потенциала разряда, энергия ионов снижается до нуля. При токе в цепи анода 2 А ток пучка составляет 0,15 А, что соответствует средней плотности тока ускоренных частиц, примерно равной 20 А/м. Энергию ускоренных частиц можно изменять при постоянной плотности тока непрерывно от нуля до 400÷600 эВ. При максимальной энергии нейтральных молекул 400÷600 эВ можно очищать и активировать поверхность подложки из любого материала, в том числе из диэлектрика, перед осаждением на нее покрытия, а при энергии 50÷200 эВ можно сопровождать осаждение покрытия. Недостатками источника являются сравнительно низкое (менее 10%) отношение тока пучка к разрядному току в цепи анода, определяемое соотношением суммарной площади эмиссионных отверстий сетки и общей площади поверхности ловушки, включающей внутренние поверхности полого катода и сетки, а также неоднородность распределения плотности тока по сечению пучка. Плотность тока максимальна на оси пучка и снижается в 2 раза на расстоянии от оси, примерно равном 0,035 м, что в 1,5 раза меньше радиуса эмиссионной поверхности сетки. Указанная неоднородность обусловлена тем, что быстрые электроны, многократно отражаясь от стенок полого катода и сетки, проходят внутри ловушки путь, длина которого превышает размеры полого катода на 2 порядка. При этом они чаще всего пролетают через центр катодной полости, поэтому частота ионизации газа максимальна именно в ее центре. Образованные здесь ионы в первую очередь достигают центральной области эмиссионной сетки, поэтому плотность тока ионной эмиссии имеет в центре сетки максимум. Отношение тока пучка к разрядному току увеличивается с ростом отношения диаметра эмиссионной сетки к длине полого катода. Однако при этом одновременно возрастает неоднородность распределения плотности тока пучка. Неоднородность плотности тока пучка еще более выражена в источниках пучков прямоугольного сечения. В них плотность тока ионной эмиссии минимальна вблизи углов прямоугольной эмиссионной сетки, и из-за этого отпечаток пучка на бомбардируемой им поверхности фактически имеет форму эллипса.
Технической задачей предложенного решения является создание источника быстрых нейтральных атомов с энергией, регулируемой от нуля до сотен электронвольт, в котором при повышении отношения тока пучка к разрядному току обеспечивалось бы более однородное распределение тока пучка по его сечению.
Поставленная задача решается тем, что источник быстрых нейтральных атомов, содержащий рабочую вакуумную камеру, эмиссионную сетку, ограниченный эмиссионной сеткой и соединенный с ней электрически холодный полый катод, боковая поверхность которого перпендикулярна эмиссионной сетке, анод, источник питания разряда, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом соединенный с полым катодом, и источник напряжения смещения, положительным полюсом соединенный с рабочей вакуумной камерой, а отрицательным полюсом соединенный с полым катодом, дополнительно содержит соленоид, установленный с возможностью обхвата полого катода с возможностью формирования магнитного поля внутри полого катода вблизи его боковой поверхности перпендикулярно эмиссионной сетке, при этом поперечный размер эмиссионной сетки превышает ширину боковой поверхности полого катода более чем в 2 раза.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на Фиг.1 изображена схема источника быстрых нейтральных атомов.
на Фиг.2 изображено сечение А-А по Фиг.1.
Источник быстрых нейтральных атомов содержит эмиссионную сетку 1, выполненную, например, прямоугольной формы. Перекрытый эмиссионной сеткой 1 холодный полый катод 2, выполненный, например, в форме прямоугольного параллелепипеда, боковая поверхность 3 которого расположена перпендикулярно эмиссионной сетке 1. Анод 4 выполнен, например, в форме полого цилиндра и расположен с внешней стороны полого катода 2 с возможностью поступления газовой среды, подаваемой в него, во внутренний объем полого катода 2 через отверстие 5, выполненное в стенке последнего. Источник 6 питания разряда положительным полюсом соединен с анодом 4, а отрицательным полюсом соединен с полым катодом 2. Источник 7 напряжения смещения положительным полюсом соединен с рабочей вакуумной камерой 8, а отрицательным полюсом соединен с полым катодом 2. Источник быстрых нейтральных атомов также содержит соленоид 9, расположенный с возможностью охвата полого катода 2 и обеспечивающий формирование магнитного поля внутри полого катода 2 вблизи его боковой поверхности 3 перпендикулярно эмиссионной сетке 1. Для решения поставленной задачи необходимо, чтобы поперечные размеры эмиссионной сетки 1 не менее чем в 2 раза превышали ширину боковой поверхности 3 полого катода 2 и соленоида 9.
Кроме того, на фиг.2 условно показана штриховой линией 10 граница эмиссионной поверхности сетки 1, а стрелкой 11 на фиг.1 условно показана подача рабочего газа в полость анода 4, из которой газ через отверстие 5 малого диаметра поступает в полый катод 2, а далее через отверстия эмиссионной сетки 2 поступает в рабочую вакуумную камеру и затем в систему вакуумной откачки.
Устройство работает следующим образом.
p
p
p
Рабочую вакуумную камеру 8 с обрабатываемыми подложками внутри нее (не показаны) откачивают до давления 1 мПа, затем подают в камеру 8, например, через полый анод 4, отверстие 5 и полый катод 2, рабочий газ, например, аргон, и увеличивают его давление в камере 8 до 0,1 Па. Включением источника 6 прикладывают между анодом 4 и полым катодом 2 напряжение U в несколько сотен вольт. С помощью поджигающего устройства (не показано) зажигают газовый разряд. В результате полый катод 2 заполняется плазменным эмиттером 12, отделенным от поверхностей полого катода 2 и эмиссионной сетки 1 слоем положительного объемного заряда 13 ионов 14, полый анод 4 заполняется анодной плазмой 15, проникающей через отверстие 5 внутрь полого катода 2, а камера 8 в результате нейтрализации вторичными электронами со стенок камеры 8 положительного объемного заряда поступающих в нее через отверстия сетки 1 ионов 14, ускоренных в слое 13, заполняется вторичной плазмой 16. Потенциал вторичной плазмы 2 превышает потенциал камеры 8 примерно на 1÷5 В, а потенциал анодной плазмы 15 примерно равен потенциалу анода 4. Между проникающей в полый катод 2 анодной плазмой 15 и плазменным эмиттером 12 образуется стационарный двойной электростатический слой 17 с падением потенциала на нем 10÷20 В. При катодном падении потенциала 400÷600 В падением на двойном слое 17 и потенциалом вторичной плазмы 16 можно пренебречь, приближенно полагая, что во вторичной плазме 16 энергия ускоренных в слое 13 ионов 14 соответствует напряжению U источника 6 между анодом 4 и полым катодом 2, т.е. равна qU, где q - заряд иона.
c
c
p
c
p
c
Включением источника 7 на полый катод 2 подают напряжение смещения U отрицательной относительно камеры 8 полярности. В результате между эмиссионной сеткой 1 и вторичной плазмой 16 образуется слой положительного объемного заряда 18 с падением потенциала, примерно равным напряжению U источника 7. Ускоренный в слое 13 ион 14 проходит через сетку 1 и тут же замедляется в слое 18. Поэтому энергия ионов во вторичной плазме соответствует разности потенциалов (U-U) между плазменным эмиттером 12 и вторичной плазмой 16. При постоянном токе пучка ее можно регулировать от нуля до qU изменением напряжения U. Во вторичной плазме 16 на расстоянии 0,2 м от сетки 1 практически все ионы аргона 14 превращаются в быстрые нейтральные атомы аргона, кинетическая энергия и направление движения которых не зависят от электрических и магнитных полей.
p
p
L
p
p
L
L
L
1/2
Включением источника питания соленоида 9 (не показан) создают магнитное поле, вектор индукции которого вблизи боковой поверхности 3 полого катода 2 перпендикулярен эмиссионной сетке 1. Электроны 19, эмитированные в результате бомбардировки боковой поверхности 3 ионами 20 из плазменного эмиттера 12, ускоряются в слое 13 до энергии eU, где е - заряд электрона, а разрядное напряжение U равно разности потенциалов между плазменным эмиттером 12 и поверхностью 3. В плазменном эмиттере 12 ускоренный электрон 19 движется вблизи боковой поверхности 3 полого катода 2 в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции В, а следовательно, в плоскости, параллельной эмиссионной сетке 1, по окружности, радиус которой R (м)=3,4×[U(B)]/B (Тл). Например, при U=400 В и В=4 мТл радиус траектории электрона R (м)=0,017 м. Описав половину окружности 21, электрон 19 отражается электрическим полем слоя 13, снова проходит через плазменный эмиттер 12 по окружности радиуса R, снова отражается в слое 13 и т.д. Таким образом, эмитированные боковой поверхностью 3 полого катода 2 быстрые электроны 19, осциллируя между боковой поверхностью 3 и отстоящей от нее на расстояние R огибающей траекторий 21 электронов 19, много раз обходят эту поверхность 3 по часовой стрелке или против часовой стрелки (в зависимости от направления магнитного поля от эмиссионной сетки 1 или к ней). Поэтому эти электроны 19 образуют ионы только вблизи боковой поверхности 3 полого катода 2, причем интенсивность ионизации сохраняет постоянное значение вблизи всей боковой поверхности 3 полого катода 2, в том числе и в углах прямоугольного полого катода. Так как магнитное поле с индукцией до 10 мТл практически не влияет на движение ионов, они свободно покидают указанную область пространства вблизи боковой поверхности 3 полого катода 2 в направлении к его центру и попадают, в том числе, на границу слоя 13 между плазменным эмиттером 12 и эмиссионной сеткой 1. На движение электронов, эмитированных сеткой 1 и противоположной ей стенкой полого катода 2, перпендикулярное им магнитное поле не оказывает заметного влияния. При удалении от боковой поверхности 3 на расстояние, превышающее ее ширину и ширину соленоида 9, магнитное поле становится резко неоднородным, его индукция снижается на порядок и ближе к центру полого катода 2 оно вообще не влияет на движение электронов.
Установка соленоида 9 с возможностью обхвата полого катода 2 с возможностью формирования магнитного поля внутри полого катода 2 вблизи его боковой поверхности 3 перпендикулярно эмиссионной сетке 1 позволяет значительно увеличить интенсивность ионизации газа вблизи боковой поверхности 3 полого катода 2 и обеспечить однородность ее распределения на всей боковой поверхности 3 полого катода 2.
При поперечных размерах эмиссионной сетки 1, превышающих ширину боковой поверхности 3 полого катода 2 не менее чем в 2 раза, отношение тока пучка к разрядному току составляет 20÷30%, а в центре полого катода 2 имеется область пространства, в котором магнитное поле соленоида 9 не влияет на движение быстрых электронов. В этой области эмитированные сеткой 1 и противоположной ей стенкой полого катода 2 электроны двигаются примерно так же, как и в отсутствие соленоида 9, образуя максимальное число ионов в центре катода 2. Плотность тока эмиссии образованных ими ионов максимальна в центре сетки 1 и минимальна на границе ее эмиссионной поверхности 10. Плотность тока эмиссии ионов, образованных вблизи боковой поверхности 3 полого катода 2 эмитированными этой поверхностью электронами 19, растет с увеличением индукции магнитного поля. Она минимальна в центре эмиссионной сетки 1 и максимальна на границе ее эмиссионной поверхности 10. Суперпозиция ионных потоков из центра полого катода 2 и из области вблизи его боковой поверхности 3 дает более однородное распределение тока ионной эмиссии по поверхности сетки 1, а следовательно, и более однородное распределение тока пучка по его сечению. Степень однородности можно регулировать, изменяя ток в обмотке соленоида 9 и, соответственно, индукцию магнитного поля.
По сравнению с прототипом предлагаемый источник быстрых нейтральных атомов отличается более высокой однородностью распределения тока пучка по его сечению (±10%) при более высоком отношении тока пучка к разрядному току (до 20÷30%).