ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области генерации потоков нейтральных частиц для модификации поверхности изделий различного назначения.
В настоящее время использование потоков быстрых нейтральных частиц является перспективным методом обработки поверхностей диэлектриков и полупроводников. В отличие от обработки ионными пучками, при использование пучков быстрых нейтральных молекул позволяет производить обработку диэлектриков и широкозонных полупроводников без компенсации тока пучка, поскольку не происходит возникновения потенциала на обрабатываемой поверхности, замедляющего дальнейшую обработку. Кроме того, при обработке быстрыми нейтральными частицами не происходит деградации поверхности из-за зарядовых эффектов.
Для формирования высококачественных структур необходимо производить обработку поверхности при низком давлении в технологической камере. Кроме того, снижение давления увеличивает расстояние, на котором происходит термализация потока частиц, что позволяет увеличить расстояние между источником быстрых нейтральных частиц и обрабатываемой поверхностью.
Известен источник быстрых нейтральных частиц [Григорьев CH., Метель А.С., Мельник Ю.А., Панин В.В. Патент на изобретение №2373603 Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 20 ноября 2009 года], в котором генерация плазмы происходит в объеме полого катода, экстракция ионов с поверхности плазмы и их ускорение происходит с помощью эмиссионной сетки. Кроме того, источник содержит соленоид, обхватывающий катод, создающий магнитное поле, перпендикулярное плоскости эмиссионной сетки, служащий для увеличения отношения тока пучка к разрядному току. Недостатками данного источника являются сложность конструкции, требующая использования трех источников питания (питание разряда, подача напряжения на эмиссионную сетку и питание соленоида), малое отношение тока пучка к разрядному току (20-30%). Для нейтрализации ионов в данном источнике используются процесс резонансной перезарядки ионов при пролете от эмиссионной сетки до обрабатываемой поверхности. Резонансная перезарядка на молекулах нейтрального газа является случайным процессом, при этом средняя длина пробега ионов относительно данного процесса обратно пропорциональна давлению в области перезарядки. Кроме того, ввиду случайности процесса, он обеспечивает перезарядку лишь части ионов из потока частиц.
Например, при энергии ионов 2 кэВ и давлении в области перезарядки 1 Па средняя длина пробега ионов относительно процесса резонансной перезарядки составляет 3,34 см. В этом случае, при длине области нейтрализации 20 см, только около 0,25% ионов из общего числа не пройдут перезарядку, что является допустимой величиной в большинстве случаев. Однако, при уменьшении давления до 0,1 Па, длина свободного пробега возрастает до 33,4 см, и для перезарядки 95% ионов необходима область нейтрализации протяженностью более метра. Это обстоятельство затрудняет использование данного источника быстрых нейтралов при низком давлении.
Известен источник быстрых нейтральных частиц [Маишев Ю.П., Шевчук СЛ., Терентьев Ю.П., Кудря В.П. Патент на изобретение №2468465 Источник быстрых нейтральных частиц. Опубликовано 27 ноября 2012 года], в котором отсутствие ионов в потоке частиц достигается за счет использования сепаратора специальной формы, извлекающего ионы, не прошедшие перезарядку, из потока частиц. Недостатком данного источника является необходимость использования дополнительного источника питания для подачи напряжения на электроды сепаратора.
Общей чертой рассмотренных источников быстрых нейтральных частиц является то, что нейтрализация ускоренных ионов происходит в эквипотенциальном пространстве. Из-за этого перезарядившиеся и не перезарядившиеся ионы продолжают лететь вместе с равной энергией, для их разделения необходимы дополнительные устройства, такие как сепаратор, усложняющие конструкцию.
Помимо этого, в рассмотренных источниках быстрых нейтральных частиц, площадь катода превышает площадь, с которой происходит эмиссия потока частиц. Это приводит к низкому отношению тока пучка к разрядному току.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является источник быстрых нейтральных частиц, описанный в [Ионно-плазменные технологии в электронном производстве / В.Т. Барченко, Ю.А. Быстров, Е.А. Колгин; Под ред. Ю.А. Быстрова. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2001. - 332 с: ил.]. Данный источник состоит из трех электродов: анода, основного катода, представляющего собой набор плоскопараллельных пластин, и дополнительного плоского катода, расположенного перпендикулярно пластинам основного катода.
Анод источника заземляется, на основной и дополнительный катоды подается отрицательное напряжение с помощью двух различных источников питания. Для уменьшения распыления дополнительного катода, на него подается меньшее напряжение.
Система электродов носит открытый характер, однако за счет осцилляций электронов между основным и дополнительным катодами, плазма газового разряда концентрируется в пространстве между ними.
Образованные в плазме ионы ускоряются в катодном падении напряжения и перезаряжаются на поверхности катода и вблизи него. Данный источник быстрых нейтральных частиц обеспечивает отсутствие в выходном потоке частиц ионов с энергией большей энергии, определяемой анодным падением напряжения.
Вследствие открытого характера системы электродов, велика апертура потерь электронов, что ограничивает использование источника при низком давлении. Кроме того, из-за наличия двух катодов с приблизительно равными площадями приемной поверхности, разрядный ток делится между основным и дополнительным катодом, в то время как в пучок быстрых нейтральных частиц преобразуется только ток основного катода. Это приводит к малому отношению тока пучка к разрядному току.
Главными недостатками данного источника быстрых нейтральных частиц являются: высокое минимальное рабочее давление и малое отношение тока пучка к разрядному току.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение рабочего давления в источнике быстрых нейтральных частиц, а также увеличение отношения тока пучка нейтральных частиц к разрядному току.
Техническим результатом является: снижение минимального давления в источнике, при котором возможна его работа, повышение отношения тока пучка к разрядному току.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в источнике быстрых нейтральных частиц, состоящем из катода, выполненного в виде набора параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга, и имеющего ввод, предназначенный для подключения к отрицательному полюсу источника питания, и анода, имеющего ввод для заземления, введен полый отражающий электрод, выходная апертура которого по форме и размерам совпадает с катодом, катод и отражающий электрод образуют квазизамкнутый объем.
Полезная модель поясняется чертежом на фиг. 1, где изображена схема источника быстрых нейтральных частиц, а также фиг. 2 и фиг. 3, на которых представлены характеристики источника, разработанного по предлагаемой модели.
Предлагаемый источник быстрых нейтральных частиц состоит из трех электродов: анода 1, катода 2 и отражающего электрода 3. Основной катод 2 представляет собой набор параллельных пластин, закрепленных на определенном расстоянии друг от друга. Отражающий электрод 3 является полым, при этом его выходная апертура по форме и размерам совпадает с катодом 2. Катод 2 и отражающий электрод 3 соединены между собой таким образом, что образуют квазизамкнутый объем 4. Катод 2 имеет ввод 5 для подключения к отрицательному полюсу источника электрического питания, анод 1 имеет ввод 6 для заземления.
Устройство работает следующим образом. Анод 1 заземляется, на основной катод 2 подается отрицательное напряжение источника питания, отражающий электрод 3 является изолированным.
При зажигании газового разряда в объеме источника 4 на отражающем электроде 3 возникает отрицательное напряжение относительно анода, наведенное электронами, вышедшими с катода 2 под действием вторичной ионно-электронной эмиссии и ускоренными в области катодного падения напряжения. Поскольку в установившемся состоянии суммарный ток на отражательный электрод 3 нулевой, величина напряжение на отражающем электроде 3 определяется условием равенства электронного и ионного токов.
Так как ионный ток насыщения значительно меньше электронного тока насыщения, большая часть электронов, летящих на отражающий электрод 3, отражается от него, и затем осциллируют в квазизамкнутом объеме 4 до тех пор, пока не выйдут из него через выходную апертуру. Благодаря осцилляции электронов в объеме 4 между катодом 2 и отражающим электродом 3, и небольшой выходной апертуры, значительно повышается средняя длина пробега электрона в области горения газового разряда. При низком давлении, когда средняя длина пробега электронов меньше длины релаксации по энергии, увеличение длины пробега электронов уменьшает долю энергии, уносимую ими из области генерации плазмы. Это позволяет снизить напряжение горения газового разряда при неизменном давлении, или же снизить давление в области горения разряда при том же напряжении на нем.
Ионы, образованные в объеме плазмы 4, ускоряются в катодном падении напряжения и нейтрализуются за счет резонансной перезарядки на молекулах нейтрального газа, а также при отражении от пластин катода 2 в процессе упругого отражения с нейтрализацией. Таким образом, катод 2 выполняет также функции эмиссионной сетки.
За счет того, что нейтрализация ионов происходит в потенциальной яме, образованной возле катода 2, ионы, не перезарядившиеся в области катодного падения напряжения, при выходе из нее имеют низкие энергии, не превышающие величины, определяемой анодным падением напряжения. Таким образом, в выходном потоке частиц источника отсутствуют быстрые ионы.
Добавление в конструкцию источника быстрых нейтральных частиц отражающего электрода 3 позволяет снизить минимальное рабочее давление источника, при этом напряжение на электроде 3 относительно анода 1 возникает за счет внутренних процессов, происходящих в плазме газового разряда, что ликвидирует необходимость использования дополнительного источника электрического питания.
Нахождение отражающего электрода 3 под плавающим потенциалом, то есть отсутствие тока через него, приводит к тому, что весь разрядный ток замыкается через катод 2, выполняющий также функции эмиссионной сетки, что позволяет значительно увеличить отношение тока пучка к разрядному току. Таким образом, благодаря тому, что в предлагаемом источнике быстрых нейтральных частиц эффективная площадь катода 2 равняется площади эмиссии ионов, отношение тока выходного пучка к разрядному току определяется только эффективностью нейтрализации потока ионов.
Возможность создания потенциала на отражающем электроде была показана в ходе проведения эксперимента, результаты которого представлены на фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 2 изображена зависимость потенциалов на катоде и отражающем электроде относительно анода от тока разряда при давлении 8 Па.
На фиг. 3. изображена зависимость потенциала на отражающем электроде относительно анода, от напряжения горения разряда при давлении 8 Па. Зависимость хорошо аппроксимируется линейной, потенциал на отражающем электроде приблизительно в два раза меньше напряжения горения газового разряда.