научная статья по теме ГЕНЕРАТОР ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ПОТОКА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАТОР ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ПОТОКА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 60-67

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 537.5 + 537.525.99

ГЕНЕРАТОР ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ПОТОКА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ © 2014 г. В. А. Колпаков*, **, А. И. Колпаков*, С. В. Кричевский*

*Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) Россия, 443086, Самара, Московское ш., 34 E-mail: akolpakov@yandex.ru **Институт систем обработки изображений РАН Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151 Поступила в редакцию 27.03.2013 г. После доработки 29.07.2013 г.

Генератор формирует широкоапертурный поток заряженных частиц (электронов, положительных и отрицательных ионов) плазмы с сечением диаметром не менее 120 см, распространяющийся на расстояние до 50 см и более (в зависимости от режимов работы и геометрических размеров вакуумной камеры). Равномерность распределения заряженных частиц по сечению потока плазмы не хуже 98%. Ток разряда достигает 1 А и более при ускоряющем напряжении от 0.3 до 6 кВ. Энергия частиц потока плазмы при указанных режимах составила 10—6000 эВ при плотностях тока до 10 мА/см2. Конструкция генератора содержит коаксиально расположенные ячейки сетчатого анода и сетки катода, замыкающей полость в его объеме глубиной, лежащей в пределах 3—5 длин свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы. Катод изготавливается с диаметром полости, большим диаметра сквозной полости в изоляции катода, определяемого размером сечения потока плазмы. Расстояние между сетчатым анодом и сеткой катода равно темному астоновому пространству тлеющего разряда, что позволило увеличить срок службы катода до трех лет. Показано, что длительность непрерывной работы катода определяется выбранными значениями глубины его полости и ускоряющего напряжения.

DOI: 10.7868/S0032816214020189

Плазменные потоки, формируемые газовыми разрядами, находят широкое применение в производстве полупроводниковых приборов [1—3] и элементов дифракционной оптики [4]. С ростом активной площади приборов возникает необходимость в потоках широкоапертурной плазмы с площадью сечения >113 см2 и токами >1 А. Известные устройства [5—9], формирующие подобные потоки с помощью газовых разрядов высокочастотного, сверхвысокочастотного и магнетронно-го типов, обладают неустойчивостью резонансной частоты и требуют постоянного контроля за ее величиной [10—12]. Конструкции указанных генераторов характеризуются рядом недостатков:

— небольшая доля извлекаемых из плазмы ионов, составляющая около 4% от тока разряда;

— необоснованный рост концентрации плазмы вблизи торцевых стенок полости катода, приводящий к возникновению максимумов плотности тока по краям пучка, необходимости перекрытия эмиссионного окна сеткой;

— наличие в устройстве ускоряющего электрода;

— расположение отверстий одинакового размера и формы в корпусах катода и анода, не позволяющих создавать широкоапертурные потоки плазмы с равномерным распределением частиц по их сечению.

Авторы [13—16] предлагают использовать для генерации газоразрядной плазмы высоковольтный газовый разряд, отличительной чертой которого является расположение потока низкотемпературной плазмы за пределами электродов устройства. Это позволяет устранить эффект загрузки и значительно упростить процесс бомбардировки поверхности твердых тел частицами плазмы.

Кроме этого, в самом механизме существования газового разряда осуществляется разделение частиц плазмы на два противоположно направленных потока отрицательно и положительно заряженных частиц. Наличие таких потоков позволяет производить очистку рабочих газов в области обрабатываемой поверхности и снизить требования к их чистоте. Существенным недостатком предлагаемых авторами устройств [15—17] явля-

(б)

(в)

(г)

* шт т

й У

Рис. 1. Генератор широкоапертурного потока газоразрядной плазмы: а — внешний вид; б — схема конструкции генератора (1— высоковольтный электрод; 2 — полый катод; 3 — катодный изолятор; 4 — сетка катода; 5 — диэлектрический элемент; 6 — сетка-анод; 7 — металлическое кольцо; 8 — корпус; 9 — крышка); в — конструкция изоляции между анодом и катодом; г — схема расположения ячеек на локальном участке сетки катода или анода.

й

3

й

2

Рис. 2. Профили ямок травления на поверхности катода: а, б — в области края катода; в — в центральной области катода.

ется значительный нагрев катода, разрушающий его изоляцию при длительной работе.

КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ЕГО РАБОТЫ

Для снижения температуры катода в данной работе предлагается использовать в источнике электронов ионизацию атомов рабочего газа в полости, выполненной в материале катода. Это позволило уменьшить его нагрев, вызываемый непосредственной бомбардировкой поверхности положительными ионами. В качестве рабочего газа использовали воздух и хладон-14 (СF4).

Общий вид генератора, схемы его конструкции и отдельных элементов представлены на рис. 1. Генератор низкотемпературной плазмы содержит высоковольтный электрод 1, через который на полый катод 2 подается электропитание. Для исключения возможности возникновения термо-э.д.с. в процессе работы генератора оба элемента изготавливают из сплава алюминия марки А.

В катоде выполнена полость диаметром й0 и глубиной, которая может изменяться в пределах 3Хе < Ь < 5Хе, где Хе — длина свободного пробега электрона. Полость катода закрывается сеткой 4, выполненной из нержавеющей стали и закрепляемой винтами к катоду. При выполнении равенства Ь = 3^е в среднем происходит три взаимодействия электрона с атомами и молекулами остаточного газа в полости катода, что приводит к образованию энерговозбужденных молекул и атомов, отрицательных и положительных ионов [18].

Последние, двигаясь к катоду под действием ускоряющего поля, теряют часть своей энергии, сталкиваясь с атомами и молекулами, что уменьшает эмиссионную способность катода и его распыление. Кроме того, ионы, образовавшиеся на длинах Хе, 2Хе, 3Хе, кХе (где к — количество длин свободного пробега электрона) у поверхности катода, набирают энергии ЕХе < Б2хе < Е3Хе < ЕкХе, так как начинают свое движение к катоду в точках, соответствующих разным потенциалам электрического поля фк ,

ф2хе, Фз^ • Энергию указанных ионов можно определить, используя выражение [19]:

Г л

4т, м

Еп = Е„

1 --

( + М)

2 . ( + яХ.,)

еи \ 1 — аг^-^-

п 2с

(1)

где и — номер соударения иона с атомом или молекулой в полости катода; Еп_ 1 — энергия, набранная ионом перед столкновением и; Ш1 — масса положительного иона; М — масса атома или молекулы в полости катода; — длина свободного пробега иона; е — заряд электрона; и — ускоряющее напряжение на электродах; с — постоянная, вычисляемая по методике [20].

Необходимо отметить, что при и = 1 величина

Еп-1 равна тепловой энергии иона б = 3 кТ [1, 2],

имеющей при температуре 293 К значение 0.003 эВ, что существенно меньше энергии 391 эВ (определяемой вторым слагаемым в формуле (1)), сообщаемой иону электрическим полем на длине свободного пробега. Поэтому при расчетах ею можно пренебречь. Оценка длины свободного пробега положительного иона по методике [21] показывает, что на пути к поверхности катода ион испытывает до 84 столкновений с атомами и молекулами в полости катода, а энергия такого иона, согласно выражению (1), уменьшается до 137.1 эВ.

Распыление материала катода усиливается при выполнении равенства Ь = (1—2)Хе, так как в соответствии с выражением (1) энергии положительных ионов достигают значений Еп > 177.1 эВ, достаточных для распыления материала катода. В результате на поверхности катода возникают ямки травления, профили которых представлены на рис. 2.

Характер изменения геометрии профилей ямок травления на поверхности катода в пределах трех ячеек сетки размером 3 х 3 мм, соответствующих области края катода (рис. 2а, 2б), объясняется влиянием торцевой поверхности пространства анод—катод, которое изменяет кривизну электрического поля в данной области, и ионы приобретают горизонтальную составляющую скорости. Это приводит к увеличению расстояния, проходимого положительными ионами и, следовательно, к увеличению числа их взаимодействий с атомами остаточного газа.

Появление свободных электронов и их последующая рекомбинация с положительными ионами формирует нейтральные атомы, которые, сохраняя направление движения к катоду, образуют на нем пленку черного цвета в случае использования в качестве рабочего газа CF4. Это позволяет предположить, что в рекомбинации участвовали ионы углерода.

Неравномерность рекомбинации в области пространства катод—анод формирует и неравномерную по толщине пленку углерода, выполняющую роль маскирующего слоя. Кроме этого, процессы рекомбинации уменьшают плотность плазмы, следовательно, формирование маскирующего слоя и снижение плотности плазмы приводят к уменьшению глубины ямок травления, которая в рассматриваемом случае не превышает 35 мкм.

За пределами трех крайних ячеек сеток 4, 6 (см. рис. 1б), в направлении последующих ячеек сеток, соответствующих центральной области катода, большая часть прямолинейных участков силовых линий поля достигает горизонтальной поверхности полости катода. Поскольку при взаимодействии ионов с поверхностью катода существенна нормальная к ней компонента скорости, то передаваемая энергия может быть определена с помощью равенства [21]

4ЕптМк

ДТИ =

кХе / ,, \2'

(т, + Мк)

(2)

где Мк — масса атома материала катода; Еп — энергия положительного иона у поверхности катода; — масса положительного иона. Подставляя в (2) значения массы атома алюминия МА1 = 4.484 • 10-23 г и иона азота +) - mN = = 4.66 • 10-23 г и рассчитанные с помощью выражения (1) значения Еп для и = 1200 В, получим в

случае Ь = 2Хе значение АТХе = 177.044 эВ. Зная А ТХе, можно оценить коэффициент распыления, используя выражение [22]:

3 А ТкК

(3)

2п2 2е„

где а — коэффициент, зависящий от отношения массы иона к массе атома подложки; еь — энергия сублимации атомов алюминия, равная 3.26 эВ [23].

При взаимодействии иона азота с атомом алюминия имеем МАХ/т^^2 = 0.962 и а = 0.3 [23], тогда Б2Х = 1.238. Вы

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»