Генераторы низкотемпературной плазмы на основе разряда низкого давления с инжекцией электронов из дугового контрагированного разряда

• Автор: Шандриков, Максим Валентинович
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Современное состояние и дальнейшее развитие ионноплазменных методов модификации поверхностных свойств различных материалов невозможно без непрерывного совершенствования разрядных устройств, обеспечивающих требуемые параметры плазмы концентрацию заряженных частиц в заданном объеме и ее равномерность, энергию частиц и массзарядовый состав ионов в плазме, максимальную долю ионов примесей и ряд других. Среди используемых для этих целей различных ионноплазменных устройств, разрядные системы с внешней инжекцией электронов выгодно отличаются возможностью реализации разряда с пониженным напряжением горения в более широком диапазоне рабочих давлений. Такие устройства основаны на двухступенчатой разрядной ячейке с холодными ненакаливаемыми электродами. Первая разрядная ступень обеспечивает инжекцию электронов с управляемой энергией и током в область основного разряда. Несмотря на необходимость использования дополнительного разряда для обеспечения инжекции электронов, тем не менее, благодаря значительному уменьшению напряжения горения основного разряда, энергетическая эффективность такого устройства оказывается выше, по сравнению с генераторами объемной плазмы на основе тлеющего разряда.


Потребность в низкоэнергетичных ионных потоках с током в единицы ампер обусловлена, в основном, развитием и совершенствованием технологии создания сверхчистых пленок. При этом для исключения загрязнения поверхности атомами, распыленными с конструктивных элементов вакуумной камеры, энергия ионов должна быть близка к порогу распыления, составляющему для большинства материалов величину эВ. Такие пучки можно также использовать в технологиях создания полупроводниковых устройств, например, для управления процессами зарождения или формирования тонкопленочных покрытий на кремниевой пластине . Следует также заметить, что для ряда применений ионных пучков функция распределения ионов по энергиям и угловое распределение ионов критическим образом влияют на свойства получаемых покрытий , а управление формой функции распределения ионов по энергиям может приводить к селективности физических и химических процессов на поверхности материалов . Генерация интенсивных низкоэнергетичных ионных пучков напрямую связана с необходимостью создания плотной газоразрядной плазмы. Больцмана, i и М, заряд и масса иона, соответственно щ плотность плазмы Те температура электронов. Характерное значение температуры электронов такой плазмы составляет порядка эВ, а тип газовых ионов обусловлен технологическим назначением источника. Таким образом, величина тока ионного пучка задается главным образом плотностью плазмы о Оценка величины концентрации плазмы для генерации ионного пучка током в единицы ампер и сечением см2 дает, согласно выражению 1. ТТ0и см3. Возможные методы и проблемы, возникающие при получении плазмы такой концентрации с требуемыми параметрами, рассмотрены в работах . Вместе с тем, следует отметить, что для генерации ионных пучков, наряду с созданием эмиттера ионов, необходимо обеспечить транспортировку ионного пучка до мишени. И именно это является основной проблемой в случае генерации ионного пучка с указанными параметрами. В плазменных ускорителях со скрещенными ЕхВ полями рис. УЗДП возможно получение ионных пучков с энергией десятки эВ и током от сотен мА до единиц А. V к 1 п ВВ о, 1. Больцмана, Те температура электрона в К, е заряд электрона, В и В0 величины магнитного поля в ионном источнике и вблизи мишени, соответственно. В тоже время, следует отметить, что такие высокие удельные параметры ионного пучка удается получить вследствие не пучкового, а плазменного режима работы таких устройств. Действительно, по своей сути ионный пучок, генерируемый в таком источнике, является потоком квазинейтральной плазмы, образующейся в разряде с термоэмиттером. Именно поэтому данному источнику присущ ряд известных недостатков, характерных для устройств с накаленным катодом, а именно эрозия термокатода при использовании активных газов и загрязнение плазмы испаренными частицами вольфрама. Попытка использования холодного ненакаливаемого катода приводит к резкому увеличению напряжения горения разряда и, как следствие, к увеличению энергии ионов. Кроме этого, в холловских ионных источниках поток ускоренных ионов имеет достаточно широкий энергетический спектр, поскольку процессы их образования, как и ускоряющий ионы потенциал, распределены в пространстве между ионным источником и мишенью. Генерацию ионных пучков низких энергий можно осуществить путем ускорения ионов в пучке, а затем торможения их непосредственно перед мишенью. На рис. Принцип генерации ионного пучка заключается в ускорении ионов до 5 кВ, а затем, замедлении до величины, например, В. Разница ускоряющего и замедляющего напряжения определяет энергию ионов. Рис. Схемы источников ионов, а холловский ионный источник с дополнительной зоной генерации ионов 1 корпус, 2 катод, 3 анод, 4 коническая вставка, 5 электромагнитная катушка, 6 сердечник, 7 канал подачи газа, б источник ионов низкой энергии 1 генератор плазмы, 2 экстрактор, 3,4 фокусирующие электроды, 5 корпус, 6 коллектор, в источник ионов низкой энергии 1 накаленный катод, 2 катушка, 3 промежуточный электрод, 4 анод, 5 извлекающий электрод, 6 ускоряющий электрод.