Источник ионов для обработки деталей

Полезная модель относится к области нанесения ионно-плазменных покрытий в вакууме, а именно к источнику ионов индуктивно-связанного типа, в котором стабильная генерация плазмы или поддержание плазмы возможны благодаря ограничению осаждения на внутренней поверхности корпуса плазменной газоразрядной камеры. Источник может быть использован в вакуумных установках для осуществления процессов осаждения тонкопленочных структур на детали и ассистирования таких процессов; очистки поверхностей различных деталей, их физического и реактивного травления; осуществления плазмо-химических реакций и других технологических процессов.
Известен источник ионов индуктивно-связанного типа, описанный в патентном документе [1] и выполняющий функцию устройства плазменной обработки. Источник включает газоразрядную камеру, ограниченную корпусом из диэлектрического материала; индуктор, генерирующий плазму в газоразрядной камере, выполненный в форме катушки на внешней поверхности корпуса; средство подачи рабочего газа внутрь газоразрядной камеры; металлическую защитную вставку с большим числом прорезей в направлении, перпендикулярном намотке индуктора, установленную внутри корпуса газоразрядной камеры. Использование металлической защитной вставки снижает эффективность генерации плазмы внутри газоразрядной камеры, так как индуктивная связь между индуктором и металлической защитной вставкой приводит к расходу высокочастотной мощности генератора на тепловой разогрев такой вставки. Вследствие указанного возможен перегрев стенок корпуса газоразрядной камеры, а значит потребуется больше электроэнергии на поддержание горения плазмы в газоразрядной камере. Кроме того, значительно увеличивается содержание нежелательных металлических примесей в ионном луче из-за распыления металлической вставки ионами плазмы. Это особенно критично при формировании оптических покрытий с использованием описанного устройства, т.к. металлические примеси приводят к увеличению коэффициента оптического поглощения покрытия, тем самым ухудшая его свойства.
Так же известен источник ионов по патенту [2]. Конструкция источника является наиболее близкой к конструкции патентуемого технического решения, поэтому указанный ионный источник выбран в качестве прототипа. Описанный ионный источник включает газоразрядную камеру, ограниченную корпусом, выполненным из диэлектрического материала; средство ввода газа в газоразрядную камеру; индуктор в форме катушки, установленный на внешней поверхности корпуса; цилиндрическую защитную вставку из диэлектрического материала, расположенную внутри корпуса газоразрядной камеры, и выполненную с прорезью в направлении, пересекающем направление намотки индуктора; систему управляющих электродов, необходимую для формирования ионного луча; систему электропитания, включающую генератор высокочастотного напряжения, подключенный к индуктору через согласующее устройство, и генераторы постоянного напряжения для задания требуемых постоянных электрических потенциалов управляющим электродам.
Защитная вставка в описываемом источнике ионов частично препятствует прилипанию распыляемых материалов к внутренней поверхности корпуса и таким образом снижает потери высокочастотной мощности, необходимой для получения требуемой плотности плазмы. Однако указанная защитная вставка имеет два открытых торца: со стороны расположения средств ввода рабочего газа в газоразрядную камеру и со стороны расположения управляющих электродов. Такая конструкция недостаточно препятствует зарастанию незакрытых поверхностей, находящихся в газоразрядной камере, и внутренней поверхности корпуса. В этом случае, для получения плазмы требуемой плотности необходимо повышать высокочастотную мощность источника, что, в конечном счете, создает проблему стабильного поддержания плазмы. Следовательно, и параметры ионного луча, генерируемого таким источником, в первую очередь - равномерное распределение плотности тока в ионном пучке, не будут стабильными. Кроме того, под воздействие ионов плазмы в описываемом ионном источнике попадают любые металлические поверхности, находящиеся в газоразрядной камере, и не закрытые диэлектрической защитной вставкой. В результате в формируемый ионный луч попадают нежелательные металлические примеси.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание источника ионов, формирующего ионный луч с долгосрочными и устойчивыми параметрами за счет стабильного формирования и поддержания плазмы и за счет минимизации в ионном луче нежелательных примесей.
Техническая задача решена тем, что источник ионов для обработки деталей, содержит газоразрядную камеру, ограниченную корпусом, выполненным из диэлектрического материала, и соединенную с источником рабочего газа через газовые трубки; индуктор для генерирования плазмы в газоразрядной камере, выполненный в форме катушки и установленный на боковой внешней поверхности корпуса; защитную вставку из диэлектрического материала, которая расположена внутри корпуса по всей его длине и соосно с ним, и закреплена посредством диэлектрических фиксаторов; систему управляющих электродов, смонтированную вблизи открытого торца указанной защитной вставки, кроме того, защитная вставка выполнена в виде съемного защитного стакана, покрывающего всю внутреннюю поверхность корпуса, где газовые трубки установлены в сквозных отверстиях, сделанных на глухом торце указанного защитного стакана, при этом диэлектрические фиксаторы выполняют функцию защитных элементов для прикрытия газовых трубок от воздействия плазмы в газоразрядной камере.
Одним из частных случаев выполнения ионного источника является исполнения его, когда по глухому торцу защитного стакана равномерно распределены четыре сквозных отверстия с размещенными в них газовыми трубками.
Другим примером выполнения ионного источника является, когда защитные элементы установлены с возможностью равномерного распределения рабочего газа в газоразрядной камере.
Сущность полезной модели поясняется схематическим изображением предлагаемого ионного источника на фигуре чертежей.
Ионный источник содержит газоразрядную камеру 1 с корпусом 2, выполненным из диэлектрического материала и ограничивающим ее. Для генерации плазмы в газоразрядной камере 1 на внешней боковой поверхности корпуса 2 установлен индуктор 4, выполненный в форме катушки.
Для предотвращения прилипания распыляемых материалов на внутреннюю поверхность корпуса 2 внутри него и соосно с ним установлена защитная вставка в виде защитного стакана 3, выполненного из диэлектрического материала прозрачного для высокочастотного электромагнитного излучения. Защитный стакан 3 прикрывает всю внутреннюю поверхность корпуса 2, так как установлен по всей длине корпуса 2. Зазор между защитным стаканом 3 и корпусом 2 должен быть узким, что бы ограничить попадание распыляемых материалов между наружной поверхностью защитного стакана 3 и внутренней поверхностью корпуса 2. Таким образом, наличие защитного стакана 3 блокирует от прилипания и осаждения на всей внутренней поверхности корпуса 2 распыляемых материалов, рассеянных во время работы ионного источника.
При работе ионного источника, для генерирования плазмы со стабильными заданными параметрами, необходимо обеспечить равномерное распределение рабочего газа в газоразрядной камере 1. Для этого средства подачи рабочего газа от его источника (на рисунке не показан) в газоразрядную камеру 1 - газовые трубки 5 размещены на глухом торце защитного стакана 3 в проделанных сквозных отверстиях. При этом сквозные отверстия с газовыми трубками 5 расположены на торце соответствующим образом. Например, возможно, их равномерное распределение по всей торцевой поверхности либо по ее периферии. Для равномерного распределения рабочего газа в газоразрядной камере 1 предпочтительно иметь не менее четырех сквозных отверстий с газовыми трубками 5.
Газовые трубки 5, как правило, выполнены из металла. Для обеспечения чистоты ионного луча 11 необходимо прикрыть газовые трубки 5 от воздействия плазмы в газоразрядной камере 1. Для этого в конструкции ионного источника использованы защитные элементы 6. Роль защитных элементов 6 выполняют диэлектрические фиксаторы, которые легко устанавливаются и снимаются. Таким образом, защитные элементы 6 служат для крепления защитного стакана 3 внутри корпуса 2 и одновременно позволяют оградить газовые трубки 5 от распыления ионами плазмы в газоразрядной камере 1. Наличие защитных элементов 6 предотвращает попадание атомов металла в формируемый ионный пучок 11, а так же позволяет избежать осаждения атомов металла на внутренней поверхности защитного стакана 3.
Как указано выше, помимо защитной функции элементы 6 выполняют функцию фиксации защитного стакана 3 внутри корпуса 2. Использование съемных фиксаторов позволяет легко извлечь защитный стакан 3 из корпуса 2 при проведении профилактических работ с ионным источником, что бы заменить либо очистить его. Материал для изготовления защитных элементов 6 специально не ограничивается, но, во избежание загрязнения газоразрядной камеры 1 нежелательными примесями, указанные элементы выполнены из диэлектрического материала, предпочтительно из керамики.
Крепление защитных элементов 6 может быть выполнено различным образом. Например, такое крепление может быть винтовым внутри или снаружи газовых трубок 5, либо в сквозных отверстиях защитного стакана 3 и корпуса 2. Возможно крепление защитных элементов 6 на фланцах, установленных на наружной или внутренней поверхностях корпуса 2. Кроме того, защитные элементы 6 могут быть использованы для более равномерного распределения рабочего газа в газоразрядной камере 1. Способствовать равномерному распределению рабочего газа в газоразрядной камере 1 можно используя соответствующую рассеивающую или направляющую форму части защитных элементов 6, находящейся непосредственно в газоразрядной камере 1, и/или выполнив крепление защитных элементов 6 в сквозных отверстиях таким образом, что будет обеспечено дополнительное равномерное распределение рабочего газа по объему газоразрядной камеры 1. Например, как это показано на фиг. 1.
Кроме сквозных отверстий с газовыми трубками 5 на глухой торцевой части защитного стакана 3 и корпуса 2, соответственно, возможно выполнение одного или нескольких сквозных отверстий без установки в них газовых трубок 5. Например, одно сквозное отверстие, выполненное в центре глухого торца защитного стакана 3, может быть использовано для установки только защитного элемента 6, выполняющего функцию центрирования и дополнительного крепления защитного стакана 3 внутри корпуса 2.
Индуктор 4, намотанный на боковую внешнюю поверхность корпуса 2, подключен одним концом к выходной ветви согласующего устройства 7, а другим - к общему выводу. Намотка индуктора 4 может быть выполнена из медной трубки или провода. Наличие согласующего устройства 7 необходимо для полноценной передачи высокочастотной мощности от генератора 8 в газоразрядную камеру 1.
На открытом торце защитного стакана 3 смонтирована система управляющих электродов 9, которая включает три последовательно расположенных сетчатых электрода: эмиссионный электрод 9А, подключенный к положительному полюсу источника постоянного напряжения - блоку питания 10 эмиссионного электрода 9А; ускоряющий электрод 9В, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения - блоку питания 12 ускоряющего электрода 9В, и замедляющий электрод 9С, подключенный непосредственно к общему выводу электрической цепи. Замедляющий электрод 9С, кроме основной своей функции - замедление ионов, необходим для защиты ускоряющего электрода 9В от распыления покинувшими устройство рассеянными ионами.
Электроды 9А, 9В, 9С системы управляющих электродов 9 могут быть выгнуты с определенной апертурой в зависимости от требований к фокусировке ионного луча 11. Система управляющих электродов 9 расположена вблизи открытого торца защитного стакана 3 либо находится в контакте с указанным защитным стаканом 3, в результате чего удается устранить вредные эффекты, вызванные утечкой плазмы.
Описанный выше ионный источник работает следующим образом. Рабочий газ из источника газа подают через газовые трубки 5 в газоразрядную камеру 1, образованную корпусом 2. Вся внутренняя поверхность корпуса 2 прикрыта защитным стаканом 3, установленным внутри корпуса 2 с использованием защитных элементов 6. Рабочий газ за счет соответствующего распределения сквозных отверстий с газовыми трубками 5 в глухом торце защитного стакана 3 и/или за счет крепления защитных элементов 6 и/или за счет формы защитных элементов 6 равномерно распределяется в газоразрядной камере 1. Рабочий газ в газоразрядной камере 1 ионизируется при включении генератора высокочастотного напряжения 8, подключенного через согласующее устройство 7 к индуктору 4, размещенному на внешней боковой поверхности корпуса 2. С помощью блока питания 10 подают на эмиссионный электрод 9А положительный потенциал относительно общего вывода. Близ эмиссионного электрода 9А формируется область положительного пространственного заряда, обедненная электронами. На ускоряющий электрод 9В подают отрицательный потенциал с помощью блока питания 12 ускоряющего электрода 9В. При этом ионы из области пространственного заряда начинают ускоряться образованным между эмиссионным 9А и ускоряющим 9В электродами электрическим полем. Ускоренные ионы, пройдя через отверстия сеточного ускоряющего электрода 9В, попадают в промежуток между ускоряющим 9В и замедляющим 9С электродами с электрическим полем, противонаправленным их вектору скорости, где ионы замедляются на величину разности потенциалов.
Во время горения плазмы в газоразрядной камере 1 имеет место распыление внутренних поверхностей газоразрядной камеры, контактирующих с областью горения плазмы. В результате распыления электродов 9А, 9В, 9С и газовых трубок 5 происходит «зарастание» внутренней поверхности корпуса 2 газоразрядной камеры 1 пленками из проводящего материала. По мере роста пленки, усиливается шунтирование высокочастотного тока ввиду индуктивной связи проводящей пленки с индуктором 4. Это приводит к паразитному рассеиванию мощности генератора 8 на джоулей разогрев проводящей пленки и усложняет поддержание разряда.
В предлагаемой конструкции источника ионов использована защитная вставка, выполненная из диэлектрического материала в форме стакана 3, то есть только с одним открытым торцом со стороны системы управляющих электродов 9. Поскольку защитный стакан 3 установлен по все длине корпуса 2 газоразрядной камеры 1, это полностью предотвращает «зарастание» внутренней поверхности корпуса 2 пленкой из проводящих материалов, тем самым минимизируются потери высокочастотной мощности. При этом возрастает стабильность генерируемой плазмы, а ионный ток в ионном луче 11 имеет большую временную стабильность.
Газовые трубки 5 для подачи рабочего газа в газоразрядную камеру 1, установленные в сквозных отверстиях на глухом торце защитного стакана 3, и сами сквозные отверстия расположены таким образом, что способствуют равномерному распределению рабочего газа в газоразрядной камере 1, а это, в свою очередь, позволяет достичь равномерного распределение плотности ионного тока.
Защита газовых трубок 5 защитными элементами 6 в газоразрядной камере 1 препятствует распылению газовых трубок 5, а значит и дополнительному загрязнению газоразрядной камеры 1 и ионного луча 11, формируемого патентуемым ионным источником. Кроме того, защита газовых трубок 5 от распыления дополнительно снижает скорость формирования пленки из проводящего материала, образующейся на внутренней поверхности защитного стакана 3. Следовательно, уменьшаются потери мощности высокочастотного электромагнитного излучения, возрастает стабильность генерируемой плазмы и временная стабильность тока в ионном пучке 11.
Таким образом, конструкция заявленного ионного источника обеспечивает формирование ионного луча с минимизированным количеством нежелательных примесей, равномерным распределением плотности и повышенной временной стабильностью тока ионного пучка, что повышает качество генерируемого источником ионного луча.
Источники информации:
1. Патент JP 4091445, опубликован 28.05.2008.
2. Патент RU 2414766, опубликован 20.03.2011.