УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНОРОДНО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ В БОЛЬШИХ ВАКУУМНЫХ ОБЪЕМАХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к технике получения плазмы, генерации низкотемпературной плазмы инертных и реакционных газов в больших вакуумных объемах технологических установок и может быть использовано в вакуумных ионно-плазменных технологиях очистки, активации, травления, ионно-плазменного легирования поверхности изделий, плазменно-иммерсионной имплантации, а также в источниках пучков ионов газов. Устройство содержит электродную систему дугового несамостоятельного разряда, содержащую два соосно расположенных на противоположных сторонах вакуумной камеры - анода электрически соединенных и помещенных каждый в магнитное поле собственного соленоида катодных узла, каждый из которых содержит термоэмиссионный и охватывающий его полый катод.
Технический результат - снижение рабочего давления технологических процессов при увеличении таких параметров как ток разряда и концентрация генерируемой плазмы. Таким образом, повышается эффективность генерации плазмы и степень ее ионизации. Кроме этого, повышается однородность распределения газоразрядной плазмы в объеме вакуумной камеры.
Известны эффективные генераторы газоразрядной плазмы, обеспечивающие степень ионизации, близкую к 100%, например, источники плазмы дуопигатронного типа [Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. - 358 с.]. Однако источники газоразрядной плазмы такого типа имеют малый размер выходной апертуры генерируемой плазмы, вследствие чего имеют большую неоднородность ее распределения с максимумом в центре и значительным падением плотности к периферии плазменного потока, диаметр которого, как правило, имеет сравнительно небольшую величину (0,05-0,2 м) в области обработки изделий. Данное обстоятельство препятствует применению источников плазмы этого типа для создания высокопроизводительных (с большим рабочим объемом) технологий плазменной обработки изделий. Для реализации высокопроизводительных и качественных вакуумных ионно-плазменных процессов обработки изделий требуется однородное заполнение плазмой больших технологических объемов.
Известны ионные источники [Kaufman H.R. et all. J. Vac. Sci. Technol., 1982, v.21, p.725; Габович М.Д. и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. с.53], в которых газоразрядная плазма создается разрядом с термоэмиссионным катодом и цилиндрическим или кольцевым анодом. Для удержания электронов в разряде, замедления процесса их ухода на анод и повышения эффективности ионизации в большинстве случаев используется магнитное поле, создаваемое соленоидом или постоянными магнитами.
Известным примером устройств такого типа является разрядная система генератора плазмы [Varga I.K. J. Vac. Sci. Technol., A, 1989, v.7(4), p.2639], состоящая из термоэмиссионного катода и цилиндрического анода, помещенных в продольное магнитное поле. В такой системе электроны, образованные в результате ионизации атомов газа первичными электронами, эмитируемыми термоэмиссионным катодом и ускоренными в прикатодном падении потенциала, имеют возможность диффундировать поперек линий магнитного поля и оседать на аноде. Данное обстоятельство можно рассматривать как эффект потери ионизационно способных электронов из разряда, который приводит к нестабильному горению разряда при низких давлениях с низкой плотностью генерируемой плазмы в рабочем объеме и необходимости использования дополнительного источника напряжения для зажигания разряда. В то же время известно, что в технологиях ионно-плазменной обработки изделий создание плотной плазмы вблизи обрабатываемой поверхности при низких давлениях позволяет обеспечить высокие производительность и качество процессов очистки, травления, ионно-плазменного азотирования и плазмоассистированного напыления покрытий.
Применение известного устройства для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы [Патент РФ №2116707, публ. 27.07.1998 г.] в технологиях вакуумной ионно-плазменпой обработки изделий позволило повысить эффективность генерации плазмы в рабочем объеме большого размера и стабилизации горения дуги при низких давлениях, расширить технологические возможности плазменной обработки, увеличить производительность процессов и улучшить качество плазмоассистированных покрытий.
В данном устройстве в качестве полого анода большого размера используется внутренняя поверхность вакуумной камеры, а в качестве катода - комбинированный катод, состоящий из термоэмиссионного катода и окружающего его полого цилиндрического катода, электрически соединенного с термоэмиссионным катодом. Вся конструкция комбинированного катода помещена в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры и охваченный соленоидом для создания в области комбинированного катода магнитного поля.
Достижению указанных выше результатов как раз способствовало использование дополнительного полого катода, охватывающего термоэмиссионный катод и не позволяющего быстрым электронам покидать разряд путем ухода на анод. За счет использования данного полого катода разряд распространяется в анодную полость, которая и является технологическим рабочим объемом.
Определенное из экспериментов оптимальное соотношение между диаметром D и длиной L полого катода L=(3-4)D этого генератора плазмы связано с тем, что с увеличением длины, с одной стороны, происходит рост тока разряда, а с другой стороны, затрудняется зажигание разряда, что требует увеличения давления газа, необходимого для уверенного зажигания разряда. Еще одним принципиальным элементом конструкции устройства для создания газоразрядной плазмы является то, что выступающая внутрь за стенки вакуумной камеры часть полого катода имеет длину равную D для исключения замыкания разряда на ближнюю область внутренней стенки вакуумной камеры.
3
-1
10
-3
3
В результате генерации плазмы с помощью данного устройства в вакуумной камере - аноде объемом 0,25 м при давлении рабочего газа аргона 10 Па и токе разряда 100 А была создана плазма со средним значением концентрации 10 см и неоднородностью распределения по объему всей вакуумной камеры ±20% от среднего значения. Однако, в результате эксплуатации данного устройства было установлено, что неоднородность распределения плазмы, обеспечиваемая при его работе (±20% от среднего значения во всем пространстве вакуумной камеры объемом 0,25 м), имеет чрезмерно, а в некоторых случаях и недопустимо высокое значение, приводящее к неравномерности плазменной обработки (нагрева, активации, травления, легирования и плазмоассистированного напыления покрытий) изделий, находящихся в разных областях пространства рабочей вакуумной камеры, что обусловливало недостаточные качество и производительность технологических процессов.
3
В известном устройстве для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов [Патент РФ №87065, публ. 20.09.2009 г.], взятом за прототип, был устранен недостаток, связанный с низким значением однородности распределения генерируемой плазмы. Эксперименты но генерации газоразрядной плазмы с применением данного устройства в технологической вакуумной камере объемом 0,25 м показали, что плазма с такой же, как и в [Патент РФ №2116707, публ. 27.07.1998 г.] концентрацией создается с неоднородностью распределения по всему объему вакуумной камеры не хуже ±5% от среднего значения ее плотности. Для достижения указанного технического результата устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов содержит полый катод не цилиндрической формы, а в форме усеченного конуса, направленного своей расширенной частью в вакуумную камеру. Был определен предпочтительный диапазон значения конусности K=(D-d)/L=0,15-0,4 полого катода, определяющего соотношение между диаметрами большего D и меньшего d сечений конуса полого катода и его длиной L.
При эксплуатации данного устройства в различных технологиях вакуумной ионно-плазменной обработки изделий было выявлено, что устройство не обеспечивает высоких значений тока своего разряда и концентрации плазмы, определяемых современными требованиями высококачественной вакуумной ионно-плазменной обработки, особенно при низких давлениях рабочего газа. В то время как повышенные значения тока разряда и степени ионизации плазмы позволяют снизить значение отрицательного напряжения смещения изделий во время обработки в плазме, что приведет к уменьшению распыления обрабатываемой поверхности, снижению величины микрорельефа и уровня поверхностных дефектов, тем самым увеличивая качество обработки. Кроме того повышение степени ионизации плазмы позволяет снизить рабочее давление технологических процессов при сохранении на высоком уровне таких параметров как ток разряда и концентрация генерируемой плазмы. А уменьшение рабочего давления технологических процессов снижает скорость роста паразитных инородных полимерных пленок, образующихся на поверхности обрабатываемых изделий из остаточной атмосферы, что также обусловливает улучшение качества технологических процессов вакуумной ионно-плазменной обработки.
Таким образом, задача разработки эффективного устройства для создания однородной газоразрядной плазмы в вакуумных камерах больших объемов остается по-прежнему актуальной.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемым изобретением, является увеличение концентрации газоразрядной плазмы при повышении однородности ее распределения в широком диапазоне рабочего давления в технологических вакуумных камерах больших объемов. Результат достигается тем, что в устройстве в качестве полого анода используется вакуумная технологическая камера большого объема, а в качестве катода - два соосно расположенных на противоположных сторонах вакуумной камеры электрически соединенных и помещенных каждый в магнитное поле собственного соленоида катодных узла, каждый из которых содержит термоэмиссионный и охватывающий его полый катод цилиндрической или конической формы.
3
На рисунке 1 схематично представлено изображение одного из двух катодных узлов, имеющих одинаковую конструкцию, предложенного устройства для создания однородно-распределенной газоразрядной плазмы в больших вакуумных объемах технологических установок. Катодный узел состоит из полого катода 1 с размерами: длина L=340 мм, диаметр большего сечения - выходного отверстия D=160 мм, диаметром меньшего сечения d=80 мм, электрически соединенного с одним из выводов (концов) термоэмиссионного катода 2, размещенного внутри полого катода. Для крепления на вакуумной камере вся конструкция комбинированного катода - электрически соединенные термоэмиссионный и охватывающего его полый катод установлена через изолятор в цилиндрический корпус катодного узла 3, выполненный из немагнитного материала. Корпус катодного узла 3 охвачен соленоидом 4, который создает продольное магнитное поле с индукцией 0,02 Т в области комбинированного катода. Термоэмиссионный катод 2 изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 0,6-1,5 мм. Для напуска рабочего газа предусмотрено устройство подачи газа 5. На рисунке 2 схематично представлена конструкция всего предложенного устройства для создания однородно-распределенной газоразрядной плазмы в больших вакуумных объемах технологических установок. Устройство состоит из анода газового разряда 1, которым является заземленная вакуумная камера, и двух соосно расположенных па противоположных сторонах вакуумной камеры и электрически соединенных катодных узлов 2. Рабочий газ с расходом 200-1000 смат/ч напускается одновременно в катодные полости катодных узлов через устройства подачи газа 5. В вакуумной рабочей камере установлен манипулятор вращения 3, на котором размещены обрабатываемые изделия 4.
Устройство для создания однородно-распределенной газоразрядной плазмы в больших вакуумных объемах технологических установок работает следующим образом. При обеспечении электропитания соленоидов катодных узлов от источников 7, накала термоэмиссионных катодов от источников накала 8, приложении постоянного напряжения от источника электропитания газового разряда 9 между вакуумной камерой (анодом) и электрически соединенными катодными узлами и подаче одновременного напуска рабочего газа в оба катодных узла эмитируемые термоэмиссионными катодами электроны ионизируют газ. Вследствие провисания потенциала анода в полости конических полых катодов катодных узлов, возникает эффект полого катода, состоящий в образовании катодного падения потенциала у внутренних стенок катодных полостей обоих катодных узлов. Электроны, отражаясь от потенциального барьера, создаваемого катодными полостями, совершают колебательные движения в полостях и эффективно ионизируют газ. Ионы, ускоренные в прикатодном слое положительного пространственного заряда, бомбардируют поверхность внутренних стенок катодных полостей, вызывая эмиссию вторичных электронов, которые усиливают ионизацию газа. Расширяющаяся плазма создает условия для зажигания дугового разряда между комбинированными катодными узлами 2 и стенками вакуумной камеры 1, которая однородно заполняется газоразрядной плазмой 6, являясь полым анодом разряда. Наличие магнитного поля с индукцией 0,01-0,02 Т в полостях катодных узлов необходимо для поддержания и стабилизации разряда при низких давлениях рабочего газа.
-2
-2
d
Применение в предложенном устройстве разрядной схемы с двумя расположенными соосно напротив друг друга на противоположных сторонах вакуумной камеры катодными узлами позволило достичь высокой эффективности генератора газоразрядной плазмы. Разряд в данной конфигурации разрядной схемы инициировался при таком низком давлении в вакуумной камере как p=(1-3)×10 Па в зависимости от рода рабочего газа. С использованием вакуумной рабочей камеры цилиндрической формы с размерами: диаметр D=600 мм, высота Н=500 мм, и функционируя с применением в качестве рабочего газа аргона, устройство для создания плазмы при давлении p=1,2×10 Па обеспечивало разрядный ток на уровне I=50 А. При таких условиях (низкое давление) разряд в устройстве, взятом за прототип, не инициировался вообще.
-1
2
11
-3
d
i
При давлении же аргона равном p=1×10 Па предложенным устройством для создания плазмы был развит ток разряда равный I=260 А, что соответствовало току ионов, извлекаемых из плазмы j=16 мА/см и концентрации газоразрядной плазмы n=5×10 см.
При этом распределение плазмы в объеме вакуумной камеры характеризовалось высокой степенью однородности, неоднородность ее плотности была не более 3-5%.
Вероятной причиной такого повышения эффективности является используемая оригинальная разрядная схема, которая должна приводить к осцилляции электронов между двумя полыми катодными узлами в объеме вакуумной камеры с обрабатываемыми изделиями, что приводит к более эффективной наработке плазмы при низких давлениях.
Повышение степени ионизации плазмы в предложенном устройстве позволяет снизить давление технологических процессов, скорость роста паразитных загрязнений, значение величин ионного распыления, микрорельефа и дефектов обрабатываемой поверхности, что обусловливает улучшение качества и повышение производительности вакуумных ионно-плазменных технологических процессов.