ПЛАЗМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ИСТОЧНИК

Полезная модель относится к области плазменной техники и может быть применена при разработке электронно-лучевых устройств и использована в электроннолучевой технологии, экспериментальной физике, в плазмохимической технологиях.
-3
-2
Известны устройства, предназначенные для генерации непрерывных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (а.с. СССР 1455928, 835264). В этих устройствах плазма создается путем инициирования разряда в газе. Разряд, т.е. ток в газе, поддерживается напряжением, прикладываемым между электродами разрядной системы. Плазменная эмиссионная граница создается в пределах отверстия, выполняемого в одном из электродов разрядной системы. В электронном источнике с плазменным катодом (а.с. СССР 1455928), включающем полый катод, цилиндрический анод, плоский катод-отражатель, расположенный напротив полого катода, эмиссионное отверстие устроено в центре плоского катода-отражателя. Разряд зажигается в газе, напускаемом в катодную полость. Ускоряющее напряжение прикладывается между катодом-отражателем и ускоряющим электродом (экстрактором). Устройство позволяет получать пучок электронов при ускоряющем напряжении 20-40 кВ и давлении газа в ускоряющем промежутке 1,3*10 Па-1,3*10 Па.
Недостатком данного устройства является то, что при увеличении давления устройство теряет работоспособность, т.к. в ускоряющем промежутке между анодом и ускоряющим электродом зажигается разряд, что приводит к резкому падению напряжения до 100-10 В.
Известно устройство, предназначенное для генерации непрерывных электронных пучков путем эмиссии электронов из газоразрядной плазмы (ПТЭ, 1998, №2, с.95-98). Устройство содержит соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым мелкоструктурной сеткой, и ускоряющий электрод (экстрактор) с отверстием для пропускания электронного пучка. Полый катод и анод вместе с изолятором образуют разрядную камеру. Анод и ускоряющий электрод образуют ускоряющий промежуток. Разрядная камера соединяется с ускоряющим промежутком через эмиссионное отверстие в аноде, в свою очередь ускоряющий промежуток соединяется с вакуумной (рабочей) камерой через отверстие в ускоряющем электроде. Таким образом, электронный пучок формируется в разрядном промежутке, за счет электронов, вытянутых через эмиссионное отверстие, и выводится в рабочую (вакуумную камеру) через отверстие в ускоряющем электроде. В рабочей камере с помощью электронного пучка осуществляется основной рабочий процесс, например, обработка поверхностей, сварка деталей, плазмохимическая реакция и т.д. В указанном источнике электроды ускоряющего промежутка, т.е. анод и ускоряющий электрод, выполнены плоскими и расположены параллельно друг другу на предельно малом расстоянии, минимальное значение которого определяется возможностью вакуумного пробоя. Указанное решение позволяет повысить рабочее давление до 9,3 Па при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка, допускающей прикладывать ускоряющее напряжение до 8 кВ. Дальнейшее увеличение давления невозможно из-за пробоя ускоряющего промежутка и образования в нем разряда.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является плазменный электронный источник (патент РФ №2215383). Электронный источник для генерации непрерывного электронного пучка включает в себя полый катод, анод, ускоряющий электрод с отверстием в центре для формирования электронного пучка, изоляторы, размещенные на фланце, причем эмиссионное отверстие в аноде перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и ускоряющим электродом помещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в его центральной части. Диаметр отверстия в диэлектрическом диске больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше диаметра отверстия в ускоряющем электроде. Этот диск затрудняет возникновение разряда в ускоряющем промежутке, поскольку устраняет длинные пути, по которым обычно и развивается разряд. Все это позволило повысить рабочее давление до 13 Па при сохранении электрической прочности ускоряющего промежутка. Давление в рабочей камере и разрядной камере одинаково, а плазмообразующим газом является газ из рабочей камеры.
Использование данного плазменного электронного источника в плазмохимических технологиях затруднено при наличии химически активных и агрессивных газов (например, моносилана, который широко применяется для синтеза пленок кремния). Эти газы проникают в разрядную камеру, взаимодействуют с плазмой с образованием наночастиц в газовой фазе и тонких пленок на металлической сетке и стенках камеры. Этому же способствует и обратный поток ионов указанных газов. Кроме того, они взаимодействуют с металлической сеткой и стенками разрядной камеры с образованием продуктов взаимодействия. Все это влияет отрицательно на функционирование электрического разряда, вызывает пробои, нестабильность параметров, разрушение мелкоструктурной металлической сетки и выход из строя плазменного электронного источника. Продукты взаимодействия химически активных газов могут из разрядной камеры проникнуть в рабочую камеру и воздействовать на плазмохимические реакции, уменьшая выход полезного вещества или загрязняя его.
Эффективная передача энергии электронного пучка газу и высокая концентрация электронно-пучковой плазмы принципиально важны для реализации плазмохимических реакций, которые осуществляются в диапазоне давлений 1-20 Па, при этом давление в разрядной камере и рабочей камере практически одинаково. Однако плазменные электронные источники не могут достичь уровня давлений в 20 Па, поэтому между ними и рабочей камерой устанавливается сложная и дорогостоящая система дифференциальной откачки. Для того, чтобы избавиться от этой системы, необходимо повышать рабочее давление плазменного электронного источника до 20 Па.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение рабочего давления до 20 Па и повышение ресурса работы плазменного электронного источника в среде агрессивных и химически активных газов за счет присоединения к плазменному источнику электронов газопровода из диэлектрического материала для подачи плазмообразующего газа, например, гелия, в разрядную камеру и за счет установки гасителя разряда в газопроводе.
Схема предлагаемого источника электронов представлена на фиг.1. Полый катод 1, анод 2 и ускоряющий электрод (экстрактор) 3 размещены соосно на керамических изоляторах 4 и 5. Один из изоляторов 4 крепится на фланце 6, на котором также закреплен экстрактор. Полый катод 1 и анод 2 вместе с изолятором 5 образуют разрядную камеру. Эмиссионное отверстие 7 в аноде 2 перекрыто мелкоструктурной металлической сеткой. Между анодом и экстрактором расположен диск 8 из термостойкого диэлектрического материала с отверстием 9. В полый катод 1 с помощью газопровода 10 из диэлектрического материала подается плазмообразующий газ, в качестве которого выбран гелий. В газопроводе 10, в непосредственной близости от полого катода 1, расположен гаситель разряда 11, препятствующий распространению разряда и повреждению газопровода 10. Полость 12 между полым катодом 1 и другими деталями (2, 4, 5, 6) может быть герметично закрыта фланцем из диэлектрического материала (на фиг.1 не показан), через который можно подавать охлаждающие диэлектрические газ или жидкость, а также подводить электропитание 13 к аноду 2 и полому катоду 1. Плазменный электронный источник крепится на стенке рабочей (вакуумной) камеры с помощью фланца 6. В рабочую камеру электронный пучок выводится через отверстие (на фиг.1 не отмечено) в ускоряющем электроде 3.
В рабочей камере с помощью электронного пучка осуществляется основной рабочий процесс, например, обработка поверхностей, сварка деталей, плазмохимическая реакция и т.д. При непрерывной подаче плазмообразующего газа в разрядную камеру давление в ней устанавливается выше, чем в рабочей камере. Это препятствует проникновению агрессивных, химически активных газов в разрядную камеру (например, моносилана). Поэтому уменьшается образование наночастиц в газовой фазе, осаждение пленок на стенках камеры и металлической сетке, что в свою очередь увеличивает стабильность горения разряда и уменьшает вероятность пробоев. Также уменьшается вероятность разрушения металлической сетки в эмиссионном отверстии из-за разрядов и, соответственно, увеличивается ресурс работы плазменного электронного источника. Возрастает управляемость электронного источника, так как теперь эмиссионный ток можно изменять не только за счет изменения тока разряда, но и за счет изменения расхода плазмообразующего газа. Кроме того, уменьшается образование продуктов взаимодействия химически активных газов со стенками разрядной камеры, которые могут из разрядной камеры проникнуть в рабочую камеру и воздействовать на плазмохимические реакции, уменьшая выход полезного вещества, например, кремния, или загрязняя его.
Плазменный электронный источник работает следующим образом. Вакуумную камеру, на стенке которой с помощью фланца установлен плазменный электронный источник, откачивают до давления 1,3-13 Па. Инициирование разряда с полым катодом осуществляется посредством кратковременного повышения давления в разрядной камере в результате импульсного увеличения расхода газа с одновременной подачей напряжения на полый катод и анод. После чего выставляется номинальный расход, подается ускоряющее напряжение между анодом и экстрактором, происходит формирование электронного пучка. Данное устройство позволяет повысить рабочее давление до 20 Па при ускоряющем напряжении до 4 кВ, токе эмиссии до 0,3 А и диаметре эмиссионного отверстия в аноде 3 мм.
Плазменный электронный источник данной конструкции использовался для синтеза тонких пленок кремния методом газоструйного химического осаждения с активацией электронно-пучковой плазмой из смеси моносилана с газом-разбавителем (аргоном, гелием, водородом). При попадании в плазму моносилан легко диссоциирует радикалы, из которых на твердых поверхностях растет пленка. Этот плазменный электронный источник имеет следующие параметры: ускоряющее напряжение 1,6 кВ, ток эмиссии 80 мА, что позволяет осаждать пленки кремния со скоростями до 1 нм/с в течение 1,5 ч в рабочей камере с давлением 20 Па. При этом параметры источника стабильны, а общий ресурс работы составляет не менее 50 ч.