Источники широких пучков быстрых молекул газа и атомов металла на основе тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

* Мельник Юрий Андреевич

ИСТОЧНИКИ ШИРОКИХ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ МОЛЕКУЛ ГАЗА И АТОМОВ МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ УДЕРЖАНИЕМ ЭЛЕКТРОНОВ

01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-2006

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный руководитель:

Лауреат Премии Правительства РФ в области науки и техники, доктор технических наук, профессор Григорьев Сергей Николаевич

Официальные оппоненты:

Доктор физ.-мат. наук, профессор Акишев Юрий Семенович Кандидат физ.-мат. наук, с.н.с. Визгалов Игорь Викторович

Ведущая организация: Институт сильноточной электроники СО РАН,

г. Томск

Защита состоится 18 октября 2006 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 в конференц-зале К-608 Московского инженерно-физического института (государственного университета) по адресу: 115409 г. Москва, Каширское шоссе д. 31, тел. 323-91-67, 324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан « » сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, профессор И.В.

/ЯГУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Газовый разряд и пучки ускоренных частиц широко используются для модификации свойств поверхности Для однородной обработки ускоренными частицами изделий размером ~ 10 см и для осаждения на их поверхность однородных покрытий расстояние от источников, как ускоренных частиц, так и медленных атомов осаждаемых материалов должно превышать указанный размер, а длина свободного пробега частиц должна быть еще больше При комнатной температуре длина свободного пробега молекул газа при давлении 1 Па немного меньше 1 см Следовательно, давление в рабочей вакуумной камере должно быть меньше 0,1 Па.

При указанном давлении необходимые для модификации частицы получают с помощью вакуумно-дугового и высокочастотного разрядов, а также с помощью разрядов в магнитном поле. Например, камеры объемом до 1 м 3 заполняют однородной плазмой с помощью разряда с термоэмиссионными катодами и мультипольной магнитной системой на стенках камеры, являющейся для плазменных электронов магнитной ловушкой В последнем случае в качестве термоэмиссиопных катодов часто используют цилиндрические полые катоды из тугоплавкого металла или гексаборида лантана, накаливаемые током до 100 А ионов с энергией в десятки электронвольт.

Тлеющий разряд с холодным полым катодом, являющимся для плазменных электронов электростатической ловушкой, долгое время не применялся для модификации большой поверхности. Причиной тому сравнительно высокое рабочее давления газа, заметно превышавшее 1 Па во всех известных случаях. Лишь в восьмидесятые годы впервые было экспериментально доказано, что рабочее давление разряда можно снизить до 0,01 Па, уменьшив апертуру ^ ухода электронов из электростатической ловушки Это расширило диапазон применений тлеющего разряда без магнитного поля для модификации поверхности, а также для решения других задач

Одно из новых применений разряда - получение при давлении 0,01 - 0,1 Па широких пучков ионов и быстрых нейтральных атомов и молекул Проще всего формировать такие пучки, ускоряя ионы между двумя плазмами, отделенными друг от друга единственной эмиссионной сеткой под отрицательным потенциалом Одна из них - плазма тлеющего разряда внутри источника пучка Другая образуется за его сеткой в рабочей камере в результате нейтрализации объемного заряда ускоренных ионов вторичными электронами со стенок Эта схема ускорения позволила снять целый ряд ограничений, характерных для традиционных двух- и трехсеточных ионно-оптических систем, и получать стационарные моноэнергетические пучки быстрых молекул сечением до 8000 см2 и эквивалентным током до десятков ампер при любой энергии частиц от десятков эВ до нескольких кэВ Изменяя форму сетки, можно варьировать конфигурацию пучка и получать как сходящиеся, так и расходящиеся, например, во все стороны с цилиндрической эмиссионной поверхности, пучки бысгрых нейтральных частиц, образующихся в результате перезарядки ускоренных ионов в

рабочей камере. Непрерывная очистка холодного катода ионами позволяет получать быстрые молекулы таких химически активных газов, как кислород

Однако разрабатывать источники с небольшими габаритными размерами ~ 10 см оказалось довольно сложно. Это связано с необходимостью выполнения противоречащих друг другу условий С одной стороны, нужно не допустить пробоя между разделенными эмиссионной сеткой плазмами, который неизбежен при увеличении давления до ~ 0,5 - 1,0 Па. С другой стороны, необходимо обеспечить самостоятельность тлеющего разряда в объеме электростатической ловушки источника ~ 0,001 м 3, а для этого давление газа должно быть не меньше указанной величины.

Известно, что область эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) включает три диапазона, отличающихся друг от друга характером зависимости параметров разряда от давления. Если роль ловушки выполняет камера объемом V = 0,1 -н 1 м 3, апертуру ухода из нее электронов 50 можно легко уменьшить до величины, при которой благоприятное для транспортировки частиц давление 0,01 - 0,1 Па попадает в средний диапазон области эффекта, где разрядное напряжение минимально, а вольтамперная характеристика практически не зависит от давления Однако если речь идет об объеме 1-5 литров, то апертура при которой давление 0,01 - 0,1 Па также попало бы в средний диапазон, оказывается меньше порога образования в разряде двойного электростатического слоя. А анодная плазма слоя при уменьшении давления р до 0,5 - 1 Па распадается, и разряд обрывается Чтобы разряд не погас при р < 0,5 Па, приходится ограничиваться апертурой 50 > = (2/и/М)"2.^, где - площадь поверхности ловушки, а т и М - массы электрона и иона. Поэтому при малом V рассматриваемое давление 0,01 - 0,1 Па попадает в нижний диапазон области ЭЭЛ.

В нижнем диапазоне быстрые электроны значительную долю своей энергии уносят из ловушки Поэтому с уменьшением давления для поддержания разрядного тока приходится повышать катодное падение потенциала до 1 кВ и выше. При ограниченном напряжении источника питания ток с уменьшением давления быстро снижается, и разряд погасает. Кроме того, высокое катодное падение приводит к перегреву катода и загрязнению пучка его материалом, распыляемым ионами.

В связи с этим актуальными задачами, которые необходимо решить для получения с помощью разряда при давлении 0,01 - ОД Па однородной плазмы в объеме ~ 0,001 м 3, являются снижение катодного падения и повышение тока разряда в нижнем диапазоне области ЭЭЛ и/или предотвращение распада анодной плазмы двойного слоя разряда в среднем диапазоне ЭЭЛ при <

Кроме того, для достижения положительного эффекта сопровождения осаждения покрытия его бомбардировкой быстрыми атомами и молекулами необходимо решить проблему совмещения широкого пучка ускоренных частиц с потоком медленных атомов осаждаемого материала. Быстрые частицы должны бомбардировать осаждаемое покрытие непрерывно и на всей поверхности изделия сложной геометрической формы с пазами и выступами. Это возможно лишь

в том случае, если медленные осаждающиеся частицы и сопровождающие их быстрые частицы стартуют с одной и той же эмиссионной поверхности и имеют одинаковые угловые характеристики.

Простота конструкции, большой срок службы источников с холодным катодом и их низкая себестоимость по сравнению с источниками на основе высокочастотного разряда или разряда с накаленными катодами и периферийным магнитным полем явились обоснованием экономической целесообразности и актуальности исследований формирования широких пучков ускоренных частиц и металлического пара на основе тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов, выполнявшихся в настоящей диссертационной работе t в рамках федеральных целевых научно-технических программ на 2002 - 2006

годы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», «Научные исследования высшей школы по приоритетным : направлениям науки и техники», «Интеграция науки и высшего образования

России», и соответствовавших критической технологии федерального значения «Электронно-ионно-плазменные технологии»

Основными целями работы являются

- исследование формирования широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул при ускорении ионов в системе плазма-сетка-плазма и определение зависимости рабочего диапазона давления и характеристик пучка от геометрических параметров электростатической ловушки и эмиссионной сетки источника,

- изучение возможности снижения катодного падения потенциала и повышения тока разряда в источнике в результате бомбардировки холодного катода электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ,

- поиск путей предотвращения распада анодпой плазмы двойного электростатического слоя при давлении газа в ловушке источника ~ 0,1 Па, а также

- разработка на основе полученных результатов источников широких пучков быстрых нейтральных молекул и универсальных источников широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара

Научная новизна работы заключается в том, что'

- впервые изучены зависимости характеристик источника широкого пучка быстрых нейтральных атомов и молекул от геометрических параметров его эмиссионной сетки и электростатической ловушки тлеющего разряда, создающего плазменный эмиттер, и обнаружена взаимозависимость эмиттера и вторичной плазмы в камере при уменьшении задерживающего потенциала сетки;

- впервые показано, что в нижнем диапазоне давления области эффекта электростатической ловушки (ЗЭЛ) повышение тока электронной эмиссии на катоде в результате его бомбардировки электронами с энергией 0,5-1 кэВ снижает катодное падение разряда с током ~ 1 А от ~ 1000 В до ~ 100 В,

- экспериментально доказано, что перепад давления между ловушкой объемом ~ 1 ли полым анодом, из которого газ поступает в нее через отверстие с площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического

слоя, обеспечивает поддержание стационарного разряда с током в несколько ампер при давлении газа в ловушке ~ 0,1 Па;

- впервые исследовано осаждение покрытий на проводники и диэлектрики в сопровождении широким пучком быстрых нейтральных молекул, а также осаждение покрытий с помощью универсальных источников пучков ускоренных частиц, совмещенных с потоком металлического пара

Практическая ценность работы состоит в том, что'

- на базе полученных результатов разработаны источники широких пучков быстрых нейтральных молекул сечением 0,01 - 0,8 м 2 для низкоэнергетической имплантации, травления диэлектрических материалов и проводников, а также для сопровождения быстрыми частицами осаждения покрытий,

- разработаны универсальные источники широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара, обеспечивающие предвари 1ельный нагрев массивного изделия электронным пучком мощностью ~ 10 кВт, очистку и активацию ею поверхности быстрыми молекулами с энергией 0,5 - 1 кэВ и осаждение на нее покрытия в сопровождении быстрыми молекулами с энергией 50 - 200 эВ;

- разработанные устройства нашли применение, как в научном эксперименте, так и в промышленности.

Личный вклад автора Автор внес существенный вклад в подготовку, проведение экспериментов и анализ полученных результатов Им разработаны конструкции целого ряда использовавшихся в экспериментах узлов и источников питания. Он принимал непосредственное участие в разработке и изготовлении нескольких источников пучков быстрых нейтральных молекул по заказам ряда НИИ и промышленных предприятий, а также выполнял пусконаладочные работы непосредственно у заказчиков, как в России, так и за рубежом Фамилии соавторов, принимавших участие в разработке отдельных узлов установок и в проведении экспериментов, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации

На защиту выносятся следующие научные положения:

1 Уменьшение разности потенциалов между рабочей вакуумной камерой и эмиссионной сеткой источника быстрых нейтральных молекул, расположенной между плазменным эмиттером источника и вторичной плазмой в камере, приводит, с одной стороны, к несамостоятельному разряду в камере и повышению потенциала и концентрации вторичной плазмы, а с другой стороны - к росту концентрации плазменного эмиттера и тока пучка из-за повышения тока электронной эмиссии на катоде.

2. В нижнем диапазоне давления области ЭЭЛ облучение катода тлеющего разряда электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ из рабочей камеры снижает катодное падение потенциала разряда с током в единицы ампер от ~ 1000 В до ~ 100 В, причем увеличение электронного тока через сетку свыше ~ 10 % от тока пучка вызывает рост потенциала вторичной плазмы в рабочей камере

3 Перепад давления между ловушкой объемом ~ 1 л и полым анодом, из которого газ поступает в нее через отверстие с площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание разряда с током в несколько ампер при давлении ~ 0,1 Па

4 При погружении в плазменный эмиттер металлической мишени и подаче на нее отрицательного напряжения источник формирует комбинированный пучок быстрых молекул, а также атомов металла и эмитируемых мишенью вторичных электронов, причем относительное содержание в пучке электронов, медленных атомов металла и быстрых молекул, а также угловые характеристики и энергия последних регулируются в широком диапазоне посредством изменения выходных параметров источников электропитания

Достоверность и обоснованность результатов работы базируется на систематическом характере исследований, использовании независимых экспериментальных методик, сопоставлении экспериментальных и теоретических результатов, на практической реализации научных положений и выводов при разработке источников пучков ускоренных частиц и потоков металлического пара, а также на результатах применения этих источников в технологических экспериментах и в промышленности.

Апробация результатов диссертации Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15-ой (Звенигород 2001) и 17-ой (Звенигород 2005) Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью, 4-ой Международной научно-технической конференции по качеству машин (Брянск 2001), на Международной конференции по экологии ПРОТЕК-2003 (Москва 2003), 7-ой Международной конференции по модификации материалов пучками ускоренных частиц и потоками плазмы (Томск 2004), на 7-ом Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Новосибирск 1988), на Совместной сессии и выставке-ярмарке перспективных технологий (Тула 1997) и на 4-ой Юбилейной Всероссийской научной конференции по ресурсосберегающим технологиям в машиностроении (Бийск 2004)

Основные результаты исследований изложены в 4 научных статьях и в 8 докладах, опубликованных в сборниках Международных и Всероссийских конференций и симпозиумов, по результатам работы получен 1 патент Российской Федерации. Список основных публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения с общим объемом 177 страниц, содержит 82 рисунка Список цитируемой литературы включает 116 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, цель, научная новизна и практическая ценность работы Излагается краткое содержание диссертации, и формулируются выносимые на защиту научные положения

Первая глава содержит обзор литературных данных по источникам металлического пара для осаждения покрытий в вакууме и источникам ускоренных часгиц для распыления поверхности и модификации покрытий в процессе их осаждения Пар осаждаемого материала получают его испарением электронным лучом в тигле, посредством магнетронного распыления мишеней или их испарения катодными пятнами вакуумной дуга Самый распространенный иммерсионный метод ускорения частиц для сопровождения ими осаждения состоит в погружении изделия в плазму газового разряда и подаче на него отрицательного потенциала, ускоряющего ионы из плазмы Пользоваться этим методом можно только при осаждении проводящих покрытий на проводники

При электронно-лучевом испарении и магнетронном распылении материалов плотность плазмы у поверхности обрабатываемого изделия недостаточна для получения необходимого тока сопровождающих осаждение ионов Поэтому приходится использовать дополнительные источники плазмы. Недостатком магнетронного метода является также неоднородность распыления мишени, не позволяющая в большинстве случаев использовать более половины ее материала Метод испарения катодными пятнами дуги обеспечивает необходимую плотность плазмы, однако металлические капли в покрытиях, поступающие из катодных пятен, значительно ограничивают область его применения

Универсальным как для проводящих, так и для диэлектрических изделий и покрытий является метод сопровождения осаждения металлического пара или синтезируемого покрытия пучком ускоренных частиц Так как на промышленных установках иммерсионной обработки с габаритными размерами рабочих камер ~ 1 м гок ионов в цепи обрабатываемых изделий доходит до 10 А, а их энергию необходимо варьировать от ~ 50 эВ до ~ 1,5 кэВ, для сопровождения осаждения покрытий нужны источники пучков с эквивалентными параметрами, тес сечением до ~ 1 м 2 и током до 10 А при любой энергии ионов ог десятков эВ до нескольких кэВ Известные ионные источники с сеточными ионно-оптическими системами (источники Кауфмана с накаленными катодами, источники с периферийным магнитным полем, источники на основе высокочастотного разряда и др ) формируют пучки с током свыше 1 Л лишь при энергии ~ 1 кэВ и выше Использовать их для сопровождения осаждения покрытий ионами с энергией 50 - 200 эВ и током ~ 10 А невозможно Кроме юго, обработка диэлектрических изделий требует компенсации заряда ионов в пучке и на поверхности, а энергия ионов, бомбардирующих поверхность, и распределение плотности тока в пучке зависят от потенциала поверхности, электрических и магнитных полей, а также от других источников плазмы и ускоренных частиц, работающие одновременно

Плазменные ускорители Морозова обеспечивают ток ускоренных ионов в несколько ампер при энергии ~ 100 эВ Однако энергия ионов распределена непрерывно от нуля до величины, соответствующей напряжению источника питания, и поэтому точная регулировка параметров осаждаемого покрытия подбором оптимальной энергии бомбардирующих его ионов невозможна Кроме того, большинство известных ионных источников и плазменных ускорителей имеют накаленные катоды и не могут длительное время работать в среде химически активных газов, например, в кислороде

Предложенные в конце 80-х годов источники широких пучков быстрых нейтральных молекул, получаемых в результате перезарядки ионов, вытягиваемых из плазмы тлеющего разряда с холодным полым катодом, позволили преодолеть большинство вышеуказанных ограничений и получать моноэнергетические пучки сечением до ~ 1 м 2 быстрых нейтральных атомов и молекул любых газов с энергией от ~ 10 эВ до ~ 10 кэВ и эквивалентным током до 10 А Первая экспериментальная модель (Глазунов, Метель, Юрин 1988) при давлении газа в цилиндрическом полом кагоде ~ 0,1 Па и токе разряда 0,5 - 4 А формировала пучок диаметром 11 см быстрых атомов аргона с эквивалентным током 40 - 300 мА На мишени из нержавеющей стали, установленной на расстоянии 25 см от эквипотенциальной с катодом эмиссионной сетки, пучок оставлял протравленный отпечаток диаметром 15 - 25 см Было установлено, что при малых токах расходимость пучка зависит от радиального распределения ширины слоя положительного объемного заряда между плазменным эмиттером и эмиссионной сеткой Наложение однородного магнитною поля ~ 1 мТл, направленного вдоль оси полого катода, повышает однородность плазменного эмиттера, ширины слоя и заметно снижает расходимость пучка

В дальнейшем на основе разряда с цилиндрическим полым катодом в осевом магнитном поле были разработаны источники с отбором ионов, как через катодную (Гаврилов, Месяц, Никулин 1996), так и через анодную эмиссионную сетку (Гаврилов, Емлин, Никулин 1999). В последнем случае для удержания в полом катоде электронов, эмитированных поверхностью катодного цилиндра, используется кольцевая катодная диафрагма между катодной и анодной полостями, а гакже магнитное поле, в котором диаметр цилиндрической поверхности, огибающей траектории этих электронов, превышает диаметр отверстия диафрагмы

Дальнейшее развитие ионных ис! очников на основе тлеющего разряда связано с инжекцией в электростатическую ловушку через сетчатый катод электронов из вспомогательного разряда (Визирь, Оке, Щанин, Юшков 1997). При токе инжектируемых электронов, соизмеримом с током ионов основного разряда, еш катодное падение можно снизить до ~ 100 В. а рабочее давление газа до ~ 0,01 Па Низкое давление в области двух- или трехсеточной ионно-огггической системы позволяет повысить энергию ионов до ~ 50 кэВ и формировать широкие ионные пучки с малой угловой расходимостью Для транспортировки пучка заряженных частиц до обрабатываемой поверхности используются нейтрализаторы их объемного заряда

Иначе решается проблема транспортировки ускоренных частиц в усовершенствованных источниках быстрых нейтральных атомов и молекул, где единственная эмиссионная сетка совмещает функции элемента электростатической ловушки тлеющего разряда, эмиссионного электрода и коллектора медленных ионов, образующихся за сеткой в рабочей камере в результате перезарядки ускоренных ионов (Метель, Григорьев 1997) При давлении газа р - 0,1 Па длина перезарядки ионов составляет, в зависимости от их массы и энергии, от 5 до 20 см Поэтому при р > 0,1 Па и ширине эмиссионной сетки более 20 см на нее из вторичной плазмы вытягивается основная доля образовавшихся в результате перезарядки медленных ионов На поверхность изделий, удаленных от сетки на десятки сантиметров, свыше 90 % ускоренных частиц поступает в виде нейтра- '

лов.

Обработка поверхности нейтральными частицами отличается от ионной обработки целым рядом преимуществ, в том числе независимостью параметров ;

пучка быстрых нейтралов в рабочей вакуумной камере от электромагнитных полей и от других источников плазмы или ускоренных частиц, работающих одновременно Простота конструкции источников с одной единственной ускоряющей сеткой позволяет легко изменять ее геометрию и формировать пучки любой конфигурации За последние 15 лет разработано свыше 10 типов таких источников с плоскими, вогнутыми и выпуклыми, цилиндрическими и сферическими сетками площадью от 200 см2 до 8000 см 2 с объемом электростатической ловушки от ~ 10 до - 100 литров Нижнее давление рабочего диапазона источников растет от ~ 0,01 Па до ~ 0,1 Па с уменьшением объема ловушки V от ~ 0,1 м3 до ~ 0,01 м3. Далее оно возрастает почти до верхней границы рабочего диапазона давления ~ 1 Па, и без дополнительных мер по поддержанию разряда эти источники оказываются неработоспособны Для разработки таких мер, необходимо сначала изучить физические процессы, определяющие параметры источников с большим объемом ловушки У> 0,01 м3 и характер их изменения при переходе из среднего в нижний диапазон давления области ЭЭЛ

Во второй главе приводятся результаты исследования источников широких пучков быстрых нейтральных молекул с объемом ловушки от 6 до 20 литров На рис 1 представлена фотография экспериментальной установки для исследования источника пучка прямоугольного сечения 90х 17 см 2 с электростатической ловушкой объемом 20 литров. Схема электропитания этой установки представлена на рис 2 Разряд поддерживается источником постоянного тока 1 между анодом 2 и прямоугольным полым катодом 3 длиной Н - 90 см, глубиной И = 12,5 см и шириной 17 см, ток в цепи которого 1К измеряется амперметром 4, и вторым источником 5 между катодом 3 и эмиссионной сеткой 6 Ионы 7 вытягиваются из плазменного эмиттера 8 и ускоряются суммарным напряжением источников 1 и 5 в слое положительного объемного заряда 9 между ним и сеткой 6, выполненной из листа титана толщиной 1,5 мм, с отверстиями диаметром 7,5 мм на расстоянии 8 мм между их центрами При постоянном давлении газа концентрация плазмы 8 и ток 1К в цепи катода 3 быстро возрастают с

увеличением напряжения Vк источника 1. В то же время они практически не зависят от напряжения источника 5, которое при постоянном токе эмиссии /„ равном разности токов в цепи анода 2 и катода 3, позволяет регулировать напряжение между эмиттером 8 и сеткой 6 и энергию ускоренных частиц.

Рис 1. Фотография Рис.2. Схема электропитания источника

установки. пучка быстрых нейтральных молекул.

Через сетку 6 прозрачностью 80 % ионы 7 поступают в камеру перезарядки 10 и в результате столкновений с молекулами газа 11 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 12, бомбардирующие установленные на устройстве планетарного вращения 13 изделия 14. Большинство образующихся при перезарядке медленных ионов 15 поступает на сетку 6, а остальные ионы 16 переносят заряд на стенки камер 10 и 17. Их ток, регистрируемый амперметром 18, создает падение напряжения на резисторе 19 и понижает потенциал сетки 6, ток в цепи которой регистрируется амперметром 20. Эмитируемые поверхностями сетки 6 и камер вторичные электроны 21 захватываются электрическим полем объемного заряда ионов 7, 15 и 16. В результате синтезируется вторичная плазма 22. При бесконечно большом сопротивлении резистора 19 (разрыв цепи) статический вольтметр 23 регистрирует отрицательный потенциал сетки 6, практически равный сумме напряжений источников питания 1 и 5, а вольтметр 24 между анодом 2 и заземленными камерами 10, 17 - напряжение, не превышающее 10 В.

Измеряемый статическим вольтметром 25 между термозондом 26 и камерой 10 потенциал вторичной плазмы 22 превышает потенциал камеры также не более чем на 10 В. Поэтому при нулевом токе в цепи камер потенциалы плазменного эмиттера 8 и вторичной плазмы 22 примерно равны. Ионы 7, ускоренные в слое 9, тормозятся в слое положительного объемного заряда 27 между сеткой 6 и вторичной плазмой 22 и возвращаются назад на сетку 6. В этом слу-

чае весь ток эмиссии 1Э протекает в цепи сетки 6, а быстрые нейтральные молекулы 12 отсутствуют.

На рис. 3 представлены зависимости от сопротивления Я резистора 19 токов в цепях сетки (кривая 1) и резистора (кривая 2), ускоряющего напряжения и меаду анодом и камерами (кривая 3), катодного падения ик (кривая 4), разности потенциалов между камерами и сеткой (кривая 5), а также увеличенного в 10 раз потенциала вторичной плазмы в камере (кривая 6) при давлении аргона 0,2 Па, постоянном токе 1 А в цепи катода и постоянном напряжении 1,5 кВ между сеткой и анодом. Они свидетельствуют о том, что величина Я ~ 1 кОм является границей диапазонов с различным характером этих зависимостей.

При Я > 1 кОм потенциал вторичной плазмы в камере сохраняет постоян- I

ную величину ~ 5 В, а равный сумме токов в цепях сетки и резистора ток ионной эмиссии - постоянную величину I, « 0,6 А. При средней плотности тока ионов из плазменного эмиттера на сетку 0,4 мА/см ширина 12 мм слоя между

ними почти в 2 раза превышает диаметр 7,5 мм отверстий сетки. В этом случае эквивалентный ток пучка 1„ быстрых атомов аргона, равный току прошедших через сетку ионов, определяется ее прозрачностью г| = 0,8, током эмиссии I, и составляет /„ = г|/э » 0,48 А. С ростом Я повышение падения напряжения на резисторе приводит к снижению разности потенциалов между плазменным эмиттером и вторичной плазмой, а в результате уменьшаются энергия ускоренных ионов и длина их перезарядки. Из-за этого ток образующихся при перезарядке медленных ионов в цепи камер 10 и 17 снижается, а при Я > 20 кОм, когда энергия ускоренных частиц уменьшается до десятков элекгронвольт, полностью переключается в цепь сетки. В рассматриваемом диапазоне Я > 1 кОм можно, изменяя Я, регулировать энергию быстрых нейтралов от десятков эВ до единиц кэВ при постоянном эквивалентном токе пучка, и определять его величину по показаниям амперметра 28 в цепи источника питания 5 (рис. 2). При переходе в диапазон малых сопротивлений Я < 1 кОм показания амперметра 28 начинают увеличиваться, 7, возрастает от « 0,6 А при Я = 1 кОм до ~ 0,8 А при Я = 0,1 кОм, ток в цепи резистора 19 (кривая 2) возрастает в 2 раза, однако ток в цепи сетки 6 (кривая 1 практически не изменяется.

и.фдсВ 1А

11,кОм

Рис. 3. Зависимости токов (штриховые кривые) в цепях сетки (1) и резистора (2), а также ускоряющего напряжения V (3), катодного падения (У, (4), напряжения между камерами и сеткой <рс (5) и потенциала вторичной плазмы <р„ (б) от сопротивления резистора Я.

Для изучения распределения тока эмиссии по длине источника сетка длиной 90 см была заменена на 15 одинаковых изолированных друг от друга секций шириной по 5,8 см, и для измерения токов в их цепях были использованы 11 миллиамперметров Полый катод также был набран из 15 П-образных катодных элементов с равными площадями рабочей поверхности и двух плоских торцевых катодных пластин Три ввода напряжения в центре полого катода и на расстояниях 20 см и 35 см ог центра позволяли изменять положение анода внутри катода На рис 4 сплошными кривыми представлены распределения токов в цепях секций сетки при Я = 0,5 кОм, давлении аргона р = 0,1 Па, напряжении между анодом и сеткой 1,5 кВ и постоянных токах 1К в цепи катода от 0,2 А до 2 Л При 1К = 2 А эквивалентный ток пучка быстрых атомов аргона с энергией ~ 1,4 кэВ составляет /„ « 1 А, а неоднородность его распределения не превышает 10 % в центральной зоне длиной ~ 80 см Однако при уменьшении 1„ до ~ 0,1 А (ток в цепи катода 1К = 0,2 А) неоднородность распределения возрастает, и токи через ближайшие к торцам секции сетки становятся в 2 раза меньше, чем через центральные Распределение разрядного тока по катодным элементам хорошо согласуется с распределением тока пучка. Если при давлении р = 0,1 Па распределение тока симметрично и практически не зависит от положения анода внутри катода, то с увеличением р до 0,8 Па при расположении анода на расстоянии 35 см от центра катода обнаруживается асимметрия распределения, и при /, = 0,3 А (штриховая кривая на рис 4) его максимум смещается к аноду Однако с ростом тока до 3 А асимметрия уменьшается, и неоднородность распределения тока во всем рабочем диапазоне давлений не превышает 20 %

Превышение верхней границы рабочего диапазона р = 0,8 Па приводит к пробою между плазменным эмиттером 8 (рис 2) и вторичной плазмой 22 и зажиганию самостоятельного ТРЭУЭ (тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов), анодом которого является анод 2 источника, а электростатической ловушкой - камеры 10 и 17. После пробоя на наружной поверхности сетки 6 возникает ярко светящийся шар анодной плазмы двойного электростатического слоя, концентрирующего ток электронов из вторичной плазмы в одном из отверстий сетки. При увеличении тока светящийся шар начинает хаотически перемещаться по сетке с одного отверстия на другое

Рис 4 Зависимости от номера к секции сетки отношения тока в ее цепи к току

в цепи центральной секции (к = 8) при давлении аргона 0,1 Па (сплошные кривые) и 0,8 На (штриховая кривая) и токе в цепи катода 0,3 (1), 0,7 (2), 1,5 (3) и ЗА (4)

Для установления зависимости верхнего граничного давления от геометрических параметров сетки использовались также источник с цилиндрической сеткой диаметром 20 см и ловушкой объемом 6 литров с полым катодом из двух плоскопараллелыплх дисков диаметром по 19 см на расстоянии 20 см между ними (рис 5а), а также источник с круглой сеткой диаметром 24 см и ловушкой объемом 8,5 литра, содержащей цилиндрический полый кагод диаметром 30 см и глубиной 12 см (рис 56) В первом случае ширину ячеек сетки увеличивали от 1,5 мм до 13,5 мм, уменьшая число образующих ее стальных спиц диаметром по 1.5 мм, расположенных па расстоянии 3 мм между их осями Во вюром случае использовались сменные сегки с диаметрами отверстий 2,5 мм, 5 мм, 7,5 мм, 10 мм и 15 мм Эксперименты показали, чю с уменьшением шири- 1

ны ячеек сетки на порядок верхнее граничное давление при котором происходит пробой между плазменным эмиттером и вторичной плазмой, возрастает лишь незначительно ;

Рис 5 а Источник с цилиндрической Рис 5 б Источник с тоской эмиссионной эмиссионной сеткой диаметром сеткой диаметром 24 см

и высотой по 20 см

При максимальных напряжениях между плазменным эмиттером и сеткой и минимальных токах пучка также слабо зависит от ширины ячеек и угловая расходимость ускоренных частиц Однако с уменьшением напряжения и ростом тока, тес увеличением первеанса пучка, угол расходимости возрастает от единиц до десятков градусов Пороговый первеанс, при котором начинается рост уию расходимости, соответствует приближенному равенству ширины слоя между эмиттером и сеткой удвоенной ширине ее ячеек.

Для повышения однородности травления быстрыми атомами аргона 12 (рис. 2) изделий 14, перемещаемых в рабочей камере 17 поперек пучка, одинаковые П-образпые катодные элементы источника были заменены набором из 15 элементов с переменными шириной и глубиной (рис 6). Они образуют полый катод, глубина которого уменьшается от 12,5 см до 9,5 см, а ширина снижается от 17 см вблизи его торцов до 14 см в центральной части Неоднородность распределения тока пучка по длине модернизированного источника не превышает 5 %. Он формирует пучки быстрых атомом и молекул аргона, азота, кислорода

Рис б Источник с повышенной однородностью распределения тока пучка по длине его сечения

и других газов с эквивалентным током до 2 А при любой их энергии от ~ 0,1 кэВ до ~ 4 кэВ

Деление катода и сетки на отдельные элементы и секции позволяет значительно упростить электропитание источника Каждый катодный элемент соединяется с источниками питания через индивидуальный резистор сопротивлением 300 Ом, а каждый сеточный элеменг - через резистор сопротивлением 2 кОм с рассеиваемой мощностью по 50 Вт (рис 7) При эквивалентном токе пучка 2 А и максимальном напряжении между анодом и сеткой 4 кВ, резисторы ограничивают ток д\ I и на сетке величиной 2 А, а на катоде - 2,5 А Это существенно меньше тока устойчивого юрения вакуумной дуги на титановых электродах Поэтому при использовании в качестве источников питания просгсйших выпрямителей с регулируемым напряжением на первичных обмотках трансформаторов кратковременные дуговые пятна на сетке и катоде не приводят к зажиганию стационарной дучи При мощноеIи 8 кВт фанспорт ир\ смой гд чком в рабочую камеру, в резисторах рассеивается мощ-носхь 1,25 кВ1, а при уменьшении тока до 1 А и мощности пучка до 4 кВт в резисторах рассеивается около 0,3 кВт, т е я 8 % мощности пучка Такая же схема электропитания использовалась и в источнике пучка квадратного сечения

Рис 7 Соединение катодных и сеточных элементов источника через отдельные резисторы

90x90 см , который отличается от описанного выше источника пучка сечением 90х 17 см * лишь большей длиной секций сетки и элементов полого катода и меньшей в 5 раз плотностью тока пучка

Деление круглой сетки на 6 одипаковых элементов, а цилиндрического полого катода на 12 Г-образных элементов используется и в источниках пучка круглого сечения Формируемый источником с сеткой диаметром 16 см (рис 8)

пучок с эквивалентным током 0,25 А и энергией 2-3 кэВ при давлении в вакуумной камере 0,2 Па оставляет на ее противоположной степке на расстоянии ~ 100 см о г сетки протравленный быстрыми аюмами аргона отпечаток диаметром 22 см, что соответствует углу расходимости ~2 Однако с уменьшением энергии до 1 кэВ и с увеличением тока до 0,5 А диаметр отпечатка возрастает до 30 см, а угол расходимости до ~ 4 0 Объем ловушки этого источника К» 3 л, и поэтому получить ток пучка 0,5 А можно лишь при малых сопротивлениях Я < 1 кОм резистора 19 (рис 2) и давлении в камере 0,3 Па.

Рис 8 Источники пучка кру, с 6 секциями сетки и 12 катодни

'глого сечения ыми элементами

Третья глава посвящена условиям поддержания разряда в источниках с малым объемом ловушки V < 0,01 м3. С учетом известного выражения для порога образования двойного электростатического слоя в тлеющем разряде с электростатической ловушкой

Л* - (2т/М)тЯ, (1)

где Я - площадь поверхности ловушки, а т и М - массы электрона, в работе получено выражение для максимальной длины пути эмитированного катодом электрона в ловушке от катода до анода

Ь* = (М/2т)т(4У/5Г), (2)

где V - объем ловушки, а площадь ее поверхность 51 равна сумме площадей внутренней поверхности полого катода и эмиссионной сетки источника, а также выражение для минимальной величины границы между нижним и средним диапазонами давления области ЭЭЛ

А,ЧПа) = V(tfк)/№Цc)(M2/г01/2(4F/S)] (3) где IV - энергетическая цена образования в объеме ловушки свободного электрона, е - его заряд, С/к - катодное падение потенциала, а Хы - средний пробег Ан эмитированного катодом электрона между столкновениями с ионизацией, усредненный по всему диапазону изменения его энергии от еИ до IV,

1

п0(р)(еи-\¥)1а{еУ

<1е

(4)

(и0 - плотность молекул газа, а ст(е) - зависимость эффективного сечения ст ионизации электронным ударом от энергии е электрона) при комнатной температуре и давлении газар = 1 Па (т.е. при плотности молекул па = 2,48x10 14 см-3)

и при I/ = 1/х. На рис. 9 представлены результаты расчета ЛдГ для аргона {IV = 26 эВ), азота (IV = 37 эВ), неона (Ж= 37 эВ) и гелия (IV = 46 эВ).

В источнике на рис. 1 при V = 2х 104 см3 и площади анода 50 = 32 см 2, незначительно превышающей порог образования двойного слоя 5*» 30 см2, где = 5840 см 2 - площадь поверхности ловушки, а т и М - массы электрона и иона аргона, давление 0,2 Па лишь незначительно превышает границу р0 = 0,14 Па среднего и нижнего диапазонов давления области эффекта электростатической ловушки. При переходе ► из среднего диапазона в нижний длина Л ре-

лаксации энергии эмитированных катодом электронов становится больше их средней длины I = 4 У/Бо = 2,5x10 3 см пробега в ловушке до попадания на анод, и характеристики источника при малых и больших сопротивлениях Я резистора 19 отличаются еще больше. При больших Л > 1 кОм с уменьшением давления от 0,2 Па до 0,05 Па катодное падение потенциала возрастает до максимального напряжения 1 кВ источника питания 1, ток падает, и разряд погасает.

При малых Я < 1 кОм утечка через сетку 6 (рис. 2) электронов из вторичной плазмы 22 вызывает подъем ее потенциала, а бомбардировка ими полого катода 3 вследствие вторичной электрон-электронной эмиссии снижает напряжение между ним и анодом 2. Увеличение тока электронов через сетку до 0,2 А (рис. 3) повышает потенциал вторичной плазмы в камере от « 5 В до ~ 90 В и снижает напряжение между катодом и анодом от 520 В до 350 В. С ростом потенциала вторичной плазмы 22 увеличивается энергия электронов, поступающих в нее со стенок камер, и в них начинается несамостоятельный тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов. В результате возрастают ток ионов на * стенки камер и ток электронов через сетку в плазменный эмиттер.

С уменьшением объема ловушки источника ниже 5 литров р0 повышается почти до верхней границы рабочего диапазона давления и бомбардировка полого катода быстрыми электронами из камеры становится необходимым условием поддержания разряда. На рис. 10 представлены зависимости от разности потенциалов ф между вакуумной камерой и сеткой катодного падения потенциала 1}к (сплошные кривые) и токов в цепях катода 1К (штриховые кривые), сетки 1С (пунктирные кривые) и камеры 1„ (штрихпунктирные кривые) при ускоряющем напряжении С/= 2000 В и токе /= 0,5 А (1), 0,7 А (2) и 1 А (3) в цепи анода площадью 6 см2 источника пучка прямоугольного 35x8 см2 сечения с ловушкой объемом У= 1680 см3.

и„ кВ

Рис. 9.

1,мА

1000 -

Рис.10. Зависимости характеристик источника от разности потенциалов <р между камерой и сеткой

Энергия бомбардирующих катод электронов соответствует разности U - Ua а их ток определяется вычитанием из тока /0 его величины при <р> 200 В.

Снижение ф от 200 до 90 В сопровождается при 7 = 1 А ростом тока бомбардирующих катод электронов от нуля до 0,2 А и повышением их энергии от ~ 800 эВ до ~ 1800 эВ. Увеличение тока электронной эмиссии на катоде в результате этой бомбардировки снижает катодное падение потенциала UK от 1150 В до 250 В. При уменьшении ускоряющего напряжения до U = 1000 В энергия бомбардирующих электронов снижается до ~ 500 эВ, коэффициент вторичной электронной эмиссии возрастает до максимального значения ~ 1, и U, уменьшается до 100 В.

Таким образом, при ускоряющем напряжении свыше 1000 В бомбардировка холодного катода источника с малым объемом ловушки электронами, поступающими через сетку из камеры, является эффективным средством снижения катодного падения потенциала разряда в нижнем диапазоне давления области ЭЭЛ и повышения тока пучка до ~ 1 А. Однако уменьшить энергию пучка до 100 - 500 эВ в источниках с бомбардировкой катода электронами невозможно, так как для этого придется снизить энергию бомбардирующих электронов и коэффициент вторичной электронной эмиссии до нуля.

Для дальнейшего увеличения тока и снижения энергии пучка желательно

перевести разряд с малым объемом ловушки из нижнего в средний диапазон давления области ЭЭЛ. На рис. 11 представлена конструктивная схема экспериментальной установки для изучения условий поддержания разряда источника с ловушкой объемом 0,9 литра, образованной эквипотенциальными цилиндрическим полым катодом 1 диаметром 12 см, глубиной 8 см и сеткой 2. Здесь газ поступает в ловушку из полого анода 4 через отверстие диаметром 0,8 см в торцевом катодном диске 3.

Рис. 11. Схема экспериментальной установки

Исследования показали, что необходимым условием поддержания разряда является достаточная скорость протока газа Площадь плазменного канала в отверстии, через который эмитированные катодом электроны могут уходить из ловушки, меньше площади отверстия 0,5 см 2 и на порядок меньше порога

Рис. 12 Зависимости разрядного напряжения 17х (штриховые кривые) и тока I в цепи камеры 5 (сплошные кривые) от разности потенциалов (р между катодом 1 и камерой 5 при токе в цепи анода 500мА и давлении аргона 0,1 Па (1), 0,2 Па (2) и 1 Па (3)

& = (2т1М)Х1% * 2,75 см : образования двойного слоя при разряде в аргоне. Если его давление в полом аноде превышает 0,5 Па, анодная плазма слоя не распадается, и разряд не погасает при уменьшении давления в его ловушке до ~ 0,1 Па

Анализ представленных на рис 12 зависимостей тока I в цепи камеры 5 и разрядного напряжения 11к от разности потенциалов ср между катодом 1 и камерой 5 показывает, что этот источник может формировать пучок быстрых нейтральных атомов и молекул с энергией, непрерывно регулируемой практически от нуля до величины ~ е11к При комнатной температуре аргона длина пробега в ловушке Ь = 4 « 7,24x103 см эмитированных катодом электронов равна длине релаксации их энергии при р0 « 0,05 Па Однако из-за нагрева газа в ловушке и снижения плотности газа в ней в 2 -3 раза разряд при давлении в камере 0,1 Па может выйти из среднего диапазона. Этим можно объяснить

подъем разрядного напряжения Г/, на 70 В при уменьшении давления в вакуумной камере от 0,2 Па до 0,1 Па

При разрядном токе 4 А эквивалентный ток пучка атомов аргона доститет 0,3 А, а их энергию можно регулировать от нуля до ~ 800 эВ Увеличив размеры ловушки источника с внешним полым анодом и площадь его эмиссионной сетки можно получать низкоэнергетический пучок нейтральных атомов и молекул любого сечения с током до нескольких ампер На рис 13 приведена фотография

Рис. 13. Источник пучка прямоугольного сечения 10x30 см2 для сопровождения осаждения покрытий нейтральными молекулами с энергией 0 ~ 500 эВ

источника с охлаждаемыми водой полым анодом и алюминиевой ловушкой объемом 2,5 литра пучка прямоугольного сечения 10x30 см 2 с эквивалентным током до 1 Л атомов аргона с регулируемой от нуля до ~ 500 эВ энергией

В четвертой главе приводятся результаты практического использования разработанных на основе ТРЭУЭ источников пучков быстрых нейтральных атомов и молекул, а также универсальных источников широких пучков электронов и бысгрых нейтралов, совмещенных с потоком металлического пара Несколько десятков различных моделей источников с круглым и прямоугольным сечением пучка до 8000 см 2 с энергией от десятков эВ до 10 кэВ, а также аксиально-симметричных источников с цилиндрической сеткой (рис 5а), позволяющих одновременно обрабатывать большое количество располо-Рис. 14 Покрытие из нитрида титана женных вокруг источника изделий, ис-толщиной 5,8 мкм, осажденное на пользовались для травления быстрыми подложку из оксида алюминия

е сопровождении бьктрьши атомами аргона или молекулами кисло-

молекулами азота с энергией 200 эВ рода диэлектрических и проводящих

пленок при изготовлении изделий микроэлектроники, для очистки и активации изделий машиностроения перед осаждением на них упрочняющих и ан гифрикционных покрытий, а также для модификации свойств этих покрытий в процессе осаждения

При очистке инструмента широким пучком быстрых атомов аргона вместо бомбардировки ионами, извлекаемыми из окружающей его плазмы и ускоряемыми напряжением смещения, достигается высокая однородность травления, как режущих кромок инструмента, так и его пазов, что исключает характерное для иммерсионного травления затупление режущих кромок из-за чрезмерного распыления их ионами, а также повышает адгезию покрытий в пазах

Возможности источников, разработанных для сопровождения осаждения покрытий, демонстрируют, например, результаты нанесения нитрида титана на образцы из режущей керамики (А1203 и 0 с использованием дугового испарителя титана Угол между направлениями потока титановой плазмы и пучка быстрых молекул азота на поверхность плоского образца, установленного неподвижно на расстояниях по 50 см от обоих источников, составлял 90 ° Перед осаждением поверхность образца в течение 10 минут активировалась атомами аргона с энергией ~ 900 эВ, а затем на нее в сопровождении быстрыми молекулами азота с энергией ~ 200 эВ наносилось покрытие из ТДО (рис. 14) толщиной до 6 мкм с микротвердостью ~ 2500НУ50

Осаждение покрытия должно сопровождаться пучком непрерывно, в том числе и на поверхность изделия с глубокими пазами и выступами при его планетарном вращении в рабочей камере Для этого угол между направлениями движения медленных осаждаемых атомов и быстрых сопровождающих моле-

Рис 15. Источник пучка с круглой сеткой и двумя мишенями из упитана и алюминия

кул должен быть как можно меньше. Он снижен до нуля в универсальных источниках, где быстрые электроны, нейтральные молекулы и металлический пар поступают на обрабатываемое изделие через одну и ту же эмиссионную сетку источника При установке внутри электростатической ловушки источника напротив эмиссионной сетки (рис 15) или на ее оси (рис 16) мишени из необходимого металла и при подаче на нее отрицательно!« напряжения до 2 - 3 кВ мишень интенсивно распыляется и медленные атомы металла через отверстия сетки прозрачностью 80 % поступают на поверхность изделий Если на мишень подано напряжение 10-20 кВ, ток вторичных электронов на порядок превышает ток ионов в ее цепи, и в камеру через ту же сетку поступает широкий электронный пучок мощностью ~ 10 кВт, достаточной для предварительного нагрева массивных изделий. При равных потенциалах мишени и катода источник формирует пучок атомов аргона с энергией до 1 - 2 кэВ, активирующих поверхность нагретых изделий перед осаждением на них покрытий При осаждении поток медленных атомов металла сопровождают быстрые молекулы с энергией, регулируемой от 50 до 200 эВ.

В источнике (рис 15) с полым катодом диаметром 30 см, глубиной 10 см и эмиссионной сеткой диаметром 22 см устанавливается дисковая мишень диаметром 16 см из необходимого материала, либо кольцевая мишень из одного металла, например, титана, с центральной вставкой из другого металла, например, алюминия На оси источника с цилиндрической сеткой диаметром 20 см и высотой 33 см с площадью эмиссионной поверхности 2000 см 2 устанавливается охлаждаемая водой мишень диаметром 6 см и длиной 33 см из необходимого металла, например, титана, с площадью распыляемой поверхности 600 см 2 (рис 16) Исследования обеих экспериментальных моделей продемонстрировали возможность предварительного нагрева, травления изделий из диэлектриков, проводников и осаждения на нагретую и активированную поверхность покрытий из Т1, А1, ГП,А1) и их нитридов со скоростью до ~ 5-10 мкм/час В отличие от магнетронной технологии поверхность мишени распыляется в универсальных источниках совершенно однородно.

В заключении анализируются основные результаты работы

Рис 16. Источник с площадью сетки 2000 см и однородно распыляемой поверхностью мишени 600 см

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Среди наиболее значимых результатов кандидатской диссертации можно выделить следующие.

1 Впервые изучены зависимости рабочего диапазона давлений и характеристик источника широкого пучка быстрых нейтральных атомов и молекул от геометрических параметров эмиссионной сетки и электростатической ловушки тлеющего разряда в источнике, а также зависимость самостоятельного разряда внутри него от несамостоятельного разряда в рабочей вакуумной камере

2 Впервые показано, что в нижнем диапазоне давления области эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) повышение тока электронной эмиссии на холодном катоде в результате его бомбардировки электронами с энергией 0,5 -1 кэВ снижает катодное падение потенциала разряда с током ~ 1 А от ~ 1000 В до ~ 100 В и обеспечивает работоспособность малогабаритных источников нейтральных атомов и молекул с энергией свыше 1 кэВ

3 Экспериментально доказано, что перепад давления между ловушкой объемом порядка 1 литра и полым анодом, из которого газ поступает в нее через отверстие с площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание стационарного разряда с током в несколько ампер при давлении газа в ловушке ~ 0,1 Па и работоспособность малогабаритных источников нейтральных атомов и молекул с энергией 10 - 500 эВ.

4. Впервые исследовано осаждение покрытий на проводники и диэлектрики в сопровождении широким пучком быстрых нейтральных молекул, а также осаждение покрытий с помощью универсальных источников пучков ускоренных частиц, совмещенных с потоком металлического пара

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Мельник Ю. А., Метель А. С Особенности генерации плазмы в источнике быстрых молекул с полым анодом снаружи его электростатической ловушки // Инженерная физика 2005 Вып 2 С 26-29

2 Григорьев С. И., Мельник Ю. А., Метель А. С Снижение катодного падения потенциала тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов при облучении катода электронами с энергией 0,5 - 2 кэВ // Инженерная физика 2005. Вып 3. С 23 - 27.

3 Григорьев С. Н„ Исайков А. Н., Мельник Ю. А., Метель А. С Осаждение упрочняющих покрытий с помощью универсальных источников ускоренных частиц // Упрочняющие технологии и покрытия 2005 Вып 9 С 36-40

4 Grigoriev S., Melnik Yu., Mete IA Broad fast neutral molecule beam sources for industrial-scale beam-assisted deposition // Surface and Coating Technology. 2002. V 156 No 1/3. P. 44-49

5 ГТатеггг РФ № 2110867, кл. HOI J 27/04 Плазменный эмиттер ионов /А. С. Метель, С. Н. Григорьев, Е. Р. Цыновников, Ю. А. Мельник, С. В. Федоров / Заявлено 15.12.96//БИ - 1998.-№13.

6. Мельник Ю.А., Метель А.С., Ушаков Г.Д. Многолучевой сильноточный инжектор квазинепрерывного режима с крупноструктурным сеточно-плазменным эмиттером // Тез докл 7 Всесоюз симп по сильноточной электронике. Томск, 1988 Ч. 1 С 113-115

7 Григорьев С. Н., Метель А. С., Мельник Ю. А Разработка источника пучка быстрых нейтральных молекул // Тез докл совместной сессии и выставки-ярмарки перспективных технологий. Тула, 1997 С 162

8 Метель А. С., Мельник Ю. А.. Усиление адгезионной связи покрытия и быстрорежущей матрицы после предварительной обработки быстрыми нейтральными молекулами // Взаимодействие ионов с поверхностью Материалы 14-й межд конф-ции, Звенигород, 2001 М Т 2. С 362-364

9 Григорьев С. И., Метель А. С., Мельник Ю. А., Черкасова Н. Ю. Технология поверхностной упрочняющей обработки инструмента из режущей керамики // Качество машин Сборник трудов 4-й Международной научно-технической конференции». 2001, Брянск. Издательство БГТУ. Т. 2 С 128- 130.

10 Григорьев С. Н., Мельник Ю. А., Метель А. С. Универсальный источник пучков ускоренных частиц и металлического пара для нанесения бескапельных покрытий на диэлектрики // Производство Технология Экология Труды межд конф-ции ПРОТЕК-2003 М «Янус-К» Т. 2 С 476 - 480.

11 Григорьев С. //., Исайков А. //., Мельник Ю. А., Метель А. С. Осаждение упрочняющих покрытий в сопровождении пучков быстрых нейтральных молекул // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении Материалы 4-ой Юбилейной Всероссийской науч конф-ции. Бийск, 2004 С. 31 - 34

12 Grigoriev S. N.. Isaikov A. N., Melnik Yu. A., Metel A. S. Universal sources of accelerated particles and metal vapor for industrial-scale beam-assisted deposition // 7th Int. Conf on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, 26 - 29 July, 2004 Proceedings Томск 2004. С 29-33.

13 Григорьев С. //., Исайков А. Н., Мельник Ю. А., Метель А. С. Осаждение покрытий на диэлектрические подложки, сопровождаемое широкими пучками электронов и быстрых нейтральных молекул // Взаимодействие ионов с поверхностью Материалы 17-й межд конф-ции, Звенигород, 2005 М. Т 2 С 351 -354

I

I

I

с

Подписано в печать 08.09.2006

Формат 60x90Vi6 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,25 п.л. Тираж 70 экз. Заказ №162

Отпечатано в Издательском Центре ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 127055, Москва, Вадковский пер., д.За

í f

í

1 ¡

i I

! >*

«i

í

\ i

í

i f

í

i

t

А&06&

7?Ш

Введение.

Глава 1. Основные методы нанесения покрытий в вакууме.

1.1. Получение в вакууме пара осаждаемого материала.

1.2. Активация поверхности подложки и повышение подвижности атомов осаждаемого покрытия.

1.3. Источники ионов для сопровождения осаждения покрытий.

1.4. Характеристики тлеющего разряда в трех диапазонах давления области эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ).

1.5. Зависимость характеристик тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов (ТРЭУЭ) от расположения анода и площади его поверхности.

1.6. Влияние на ТРЭУЭ катодного распыления.

1.7. Получение с помощью ТРЭУЭ плазменного эмиттера ионов.

1.8. Источники быстрых нейтральных атомов и молекул.

1.9. Выводы.

Глава 2. Характеристики источников широких пучков быстрых молекул с объемом электростатической ловушки 0,01-0,1 мJ.

2.1. Взаимозависимость плазменного эмиттера источника и вторичной плазмы за эмиссионной сеткой в среднем диапазоне области ЭЭЛ.

2.2. Исследование зависимости верхней границы рабочего диапазона давления источника от геометрических параметров ловушки и сетки.

2.3. Зависимость угла расходимости ускоренных частиц от первеанса

I пучка и геометрических параметров сетки.

2.4. Зависимость от давления газа распределения тока пучка по его сечению.

2.5. Предотвращение перехода сильноточного тлеющего разряда в дугу в мощных источниках с секционированными катодами и сетками.

2.6. Выводы.

Глава 3. Условия поддержания разряда с электростатическим удержанием электронов в источниках с малым объемом ловушки 0,001 - 0,01 м3.

3.1. Исследование зависимости тока и катодного падения разряда от тока и энергии бомбардирующих катод электронов.

3.2. Зависимость характеристик разряда от потенциала погруженной в плазменный эмиттер мишени.

3.3. Предотвращение распада анодной плазмы двойного слоя в источниках с перепадом давления между полым анодом и ловушкой.

3.4. Выводы.

Глава 4. Практическое применение результатов исследований. 4.1. Травление поверхности быстрыми атомами и молекулами.

4.2. Сопровождение осаждения покрытий медленными молекулами.

4.3. Нагрев, травление и осаждение покрытий с помощью универсальных источников электронов, быстрых молекул и металлического пара.

4.4. Выводы.

Газовый разряд и пучки ускоренных частиц широко используются для модификации свойств поверхности. Для однородной обработки ускоренными частицами изделий размером ~ 10 см и для осаждения на их поверхность однородных покрытий расстояние от источников, как ускоренных частиц, так и медленных атомов осаждаемых материалов должно превышать указанный размер, а длина свободного пробега частиц должна быть еще больше. При комнатной температуре длина свободного пробега молекул газа при давлении 1 Па немного меньше 1 см. Следовательно, давление газа в рабочей вакуумной камере должно быть меньше 0,1 Па.

При таком низком давлении необходимые для модификации поверхности частицы получают с помощью вакуумно-дугового [1] и высокочастотного [2] разрядов, а также с помощью разрядов в магнитном поле [3,4]. Например, камеры объемом до 1 м 3 заполняют однородной плазмой с помощью разряда с термоэмиссионными катодами и мультипольной магнитной системой на стенках камеры, являющейся для плазменных электронов магнитной ловушкой [5]. В последнем случае в качестве термоэмиссионных катодов часто используют цилиндрические полые катоды из тугоплавкого металла или гексаборида лантана, накаливаемые током до 100 А ионов с энергией в десятки эВ [6].

Тлеющий разряд с холодным полым катодом [7], являющимся для плазменных электронов электростатической ловушкой, долгое время не применялся для модификации большой поверхности. Причиной тому сравнительно высокое рабочее давления газа, заметно превышавшее 1 Па во всех известных случаях. Лишь в восьмидесятые годы впервые было экспериментально доказано, что рабочее давление разряда можно снизить до 0,01 Па, уменьшив апертуру S0 ухода электронов из электростатической ловушки [8]. Это расширило диапазон применений тлеющего разряда без магнитного поля для модификации поверхности, а также для решения других задач.

Одно из новых применений разряда - получение при давлении 0,01 - 0,1 Па широких пучков ионов [9-15] и быстрых нейтральных атомов и молекул [16-18]. Проще всего формировать такие пучки, ускоряя ионы между двумя плазмами, отделенными друг от друга одной единственной эмиссионной сеткой под отрицательным потенциалом. Одна из них - плазма тлеющего разряда внутри источника пучка. Вторая плазма образуется за его сеткой в рабочей камере в результате нейтрализации объемного заряда ускоренных ионов вторичными электронами со стенок. Эта схема ускорения позволила снять целый ряд ограничений, характерных для многосеточных ионно-оптических систем, и получать стационарные моноэнергетические пучки быстрых молекул сечением до 8000 см и эквивалентным током до десятков ампер при любой энергии частиц от десятков эВ до нескольких кэВ. Изменяя форму сетки, можно варьировать конфигурацию пучка и получать как сходящиеся, так и расходящиеся, например, во все стороны с цилиндрической эмиссионной поверхности, пучки быстрых нейтральных частиц, образующихся в результате перезарядки ускоренных ионов в рабочей камере [18]. Непрерывная очистка холодного катода ионами позволяет получать быстрые молекулы таких химически активных газов, как кислород.

Однако разрабатывать источники с небольшими габаритными размерами ~ 10 см оказалось достаточно сложно. Это связано с необходимостью выполнения противоречащих друг другу условий. С одной стороны, нужно не допустить пробоя между разделенными эмиссионной сеткой плазмами, который неизбежен при увеличении давления до ~ 0,5 - 1,0 Па. С другой стороны, необходимо обеспечить самостоятельность тлеющего разряда в объеме газоразрядной камеры (ГРК) источника от 1 до 5 литров, а для этого давление газа должно быть не ниже указанной величины.

Известно, что область эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) включает три диапазона, отличающихся друг от друга характером зависимости параметров разряда от давления [19]. Если роль ловушки выполняет камера объемом V = 0,1 1 м апертуру ухода из нее электронов S0 можно легко уменьшить до величины, при которой благоприятное для транспортировки частиц давление 0,01 - 0,1 Па попадает в средний диапазон области эффекта, где раз-^ рядное напряжение минимально, а вольтамперная характеристика практически не зависит от давления. Однако если речь идет об объеме 1 - 5 литров, то апертура S0, при которой давление 0,01 - 0,1 Па также попало бы в средний диапазон, оказывается меньше порога S* образования в разряде двойного электростатического слоя [20]. Анодная плазма слоя при уменьшении давленияр до 0,5 -1 Па распадается, и разряд обрывается. Чтобы разряд не погас при р < 0,5 Па,

1 /9 приходится ограничиваться апертурой S0 > S = (2т/М) SK, где SK - площадь поверхности ловушки, am и М - массы электрона и иона. Поэтому при малом объеме V оптимальное для модификации поверхности давление 0,01 - 0,1 Па оказывается в нижнем диапазоне области ЭЭЛ.

В нижнем диапазоне быстрые электроны значительную долю своей энергии уносят из ловушки. Поэтому с уменьшением давления газа для поддержания разрядного тока приходится повышать катодное падение потенциала до 1 кВ и выше. При ограниченном напряжении источника питания ток с уменьшением давления быстро снижается, и разряд погасает. Кроме того, высокое катодное падение приводит к перегреву катода ГРК и загрязнению пучка его материалом, распыляемым ионами.

В связи с этим актуальными задачами, которые необходимо решить для получения с помощью разряда при давлении 0,01 - 0,1 Па однородной плазмы в объеме 1 - 5 литров, являются снижение катодного падения и повышение тока разряда в нижнем диапазоне области ЭЭЛ, а также предотвращение распада анодной плазмы двойного слоя разряда в среднем диапазоне при S0 < S\

Кроме того, для достижения положительного эффекта сопровождения } осаждения покрытия его бомбардировкой быстрыми атомами и молекулами необходимо решить проблему совмещения широкого пучка ускоренных частиц с потоком медленных атомов осаждаемого материала. Быстрые частицы должны бомбардировать осаждаемое покрытие непрерывно и на всей поверхности изделия сложной геометрической формы с пазами и выступами. Это возможно лишь в том случае, если медленные осаждающиеся частицы и сопровождающие их быстрые частицы стартуют с одной и той же эмиссионной поверхности и имеют одинаковые угловые характеристики.

Простота конструкции, большой срок службы источников с холодным катодом и их низкая себестоимость по сравнению с источниками на основе высокочастотного разряда или разряда с накаленными катодами и периферийным магнитным полем явились обоснованием экономической целесообразности и актуальности исследований формирования широких пучков ускоренных частиц и металлического пара на основе тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов, выполнявшихся в настоящей диссертационной работе в рамках федеральных целевых научно-технических программ на 2002 - 2006 годы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», «Интеграция науки и высшего образования России», и соответствовавших критической технологии федерального значения «Электронно-ионно-плазменные технологии».

Основными целями работы являются:

- исследование формирования широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул при ускорении ионов в системе плазма-сетка-плазма и определение зависимости рабочего диапазона давления и характеристик пучка от геометрических параметров ГРК и эмиссионной сетки источника,

- изучение возможности снижения катодного падения потенциала и повышения тока разряда в ГРК в результате бомбардировки холодного катода электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ,

- поиск путей предотвращения распада анодной плазмы двойного электростатического слоя при давлении газа в ГРК ~ 0,1 Па, а также

- разработка на основе полученных результатов источников широких пучков быстрых нейтральных молекул и универсальных источников широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые изучена зависимость характеристик источников широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул от геометрических параметров эмиссионной сетки и электростатической ловушки тлеющего разряда в ГРК;

- впервые показано, что в нижнем диапазоне давления области (ЭЭЛ) повышение тока электронной эмиссии на катоде в результате его бомбардировки электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ снижает катодное падение потенциала разряда с током ~ 1 А от ~ 1000 В до ~ 100 В;

- экспериментально доказано, что перепад давления между ловушкой объемом ~ 1 л и полым анодом, из которого газ поступает в нее через отверстие с площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание стационарного разряда с током в несколько ампер при давлении газа в ловушке ~ 0,1 Па;

- впервые исследовано осаждения покрытий на проводники и диэлектрики в сопровождении широким пучком быстрых нейтральных молекул, а также осаждения покрытий с помощью универсальных источников пучков ускоренных частиц, совмещенных с потоком металлического пара.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- на базе полученных результатов разработаны источники широких пучков быстрых нейтральных молекул сечением 0,01 - 0,8 м 2 для низкоэнергетической имплантации, травления диэлектрических материалов и проводников, а также для сопровождения быстрыми частицами осаждения покрытий;

- разработаны универсальные источники широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара, обеспечивающие предварительный нагрев массивного изделия электронным пучком мощностью ~ 10 кВт, очистку и активацию его поверхности быстрыми молекулами с энергией 0,5 - 1 кэВ и осаждение на нее покрытия в сопровождении быстрыми молекулами с энергией 50 - 200 эВ;

- разработанные устройства нашли применение, как в научном эксперименте, так и в промышленности.

Первая глава содержит обзор литературных данных по источникам металлического пара для осаждения покрытий в вакууме и источникам ускоренных частиц для распыления поверхности и модификации покрытий в процессе их осаждения.

Во второй главе приводятся результаты исследования источников широких пучков быстрых нейтральных молекул с объемом ловушки от 0,01 м3 до 0,1 м свидетельствующие о взаимозависимости плазменного эмиттера и вторичной плазмы во всем рабочем диапазоне давлений от ~ 0,02 Па до ~ 0,8 Па, верхняя граница которого практически не зависит от геометрических параметров электростатической ловушки разряда и эмиссионной сетки. Эта взаимозависимость обусловлена проникновением электронов из вторичной плазмы через эмиссионную сетку в плазменный эмиттер, бомбардировкой ими катода ГРК, повышением потенциала вторичной плазмы в рабочей камере и возникновением в ней несамостоятельного тлеющего разряда, повышающего степень ионизации газа. При переходе из среднего в нижний диапазон давления области ЭЭЛ бомбардировка катода электронами с энергией 0,5 - 1,5 кэВ становится необходимым условием поддержания тока пучка. В нижнем диапазоне он снижается при уменьшении тока электронов через сетку и погасает при его полном запирании.

Третья глава посвящена условиям поддержания разряда в источниках с малым объемом ловушки V < 0,01 м3, при котором разряд в среднем диапазоне области ЭЭЛ должен иметь двойной электростатический слой, а разряд без двойного слоя оказывается в ее нижнем диапазоне. В последнем случае для получения пучка с энергией свыше 1 кВ разряд в ГРК поддерживается бомбардировкой ее катода электронами из вторичной плазмы. Показано, что с увеличением тока этих электронов до величины, соизмеримой с эквивалентным током пучка, катодное падение разряда с током ~ 1 А снижается от ~ 1000 В до ~ 100 В. Использовать бомбардировку катода для поддержания разряда в источнике пучка с энергией 50 - 200 эВ невозможно, так как при уменьшении напряжения между эмиттером и сеткой ниже 500 В энергия бомбардирующих электронов и коэффициент электрон-электронной эмиссии уменьшаются до нуля. Поэтому здесь для поддержания разряда с ловушкой объемом ~ 0,001 м 3 используется перепад давления между ней и полым анодом, из которого поступает газ. Получены пучки быстрых молекул сечением 100 - 1000 см2, с эквивалентным током до 1 - 2 А и с энергией, регулируемой практически от нуля до ~ 500 эВ.

В четвертой главе приводятся примеры использования результатов исследований для травления поверхности быстрыми атомами и молекулами с энергией 0,5 - 1,5 кэВ, сопровождения осаждения покрытий медленными молекулами с энергией 50 - 200 эВ, а также для нагрева, травления и осаждения покрытий с помощью универсальных источников электронов, быстрых молекул и металлического пара.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Уменьшение разности потенциалов между рабочей вакуумной камерой и эмиссионной сеткой источника быстрых нейтральных молекул, расположенной между плазменным эмиттером источника и вторичной плазмой в камере, приводит, с одной стороны, к несамостоятельному разряду в камере и повышению потенциала и концентрации вторичной плазмы, а с другой стороны - к росту концентрации плазменного эмиттера и тока пучка из-за повышения тока электронной эмиссии на катоде.

2. В нижнем диапазоне давления области ЭЭЛ облучение катода тлеющего разряда электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ из рабочей камеры снижает катодное падение потенциала разряда с током в единицы ампер от ~ 1000 В до ~

100 В, причем увеличение электронного тока через сетку свыше ~ 10 % от тока пучка вызывает рост потенциала вторичной плазмы в рабочей камере.

3. Перепад давления между ловушкой объемом ~ 1 ли полым анодом, из которого в нее поступает газ через отверстие площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание разряда с током в несколько ампер при давлении ~ 0,1 Па.

4. При погружении в плазму ТРЭУЭ металлической мишени и подаче на нее отрицательного напряжения источник формирует комбинированный пучок быстрых молекул, а также атомов металла и вторичных электронов, эмитируемых мишенью, причем относительное содержание электронов, медленных атомов металла и быстрых молекул, а также угловые характеристики и энергия последних регулируются в широком диапазоне посредством изменения выходных параметров источников электропитания.

4.4. Выводы

Представленные в настоящей главе результаты применения полученных новых данных о физических процессах, определяющих работоспособность источников быстрых молекул, демонстрируют широкие возможности разработанных на их основе устройств для травления и нагрева в вакууме изделий из проводников и диэлектриков, а также для осаждения покрытий в сопровождении пучком.

Метод ускорения ионов в источниках широких пучков быстрых нейтральных молекул напряжением, приложенным между двумя плазмами, разделенными одной единственной эмиссионной сеткой, позволяет в широком диапазоне регулировать независимо друг от друга такие параметры, как ток и энергию ускоренных частиц, а также угол их расходимости на подложке. Один и тот же источник можно использовать при высокой энергии ускоренных частиц и умеренном токе пучка с малым углом расходимости для травления подложки из диэлектрика, полупроводника или металла через маску на ее поверхности канавок с высоким аспектным отношением, а при низкой энергии сильноточного пучка с большим углом расходимости - для сопровождения осаждения покрытий на изделия с глубокими пазами и выступами на поверхности.

Использование для ускорения ионов одной сетки значительно упрощает конструкцию источников ускоренных частиц и позволяет формировать пучки

9 2 сечением от ~ 100 см до ~ 10000 см любой конфигурации: с малым угловым разбросом, сходящиеся или расходящиеся. Особый интерес с практической точки зрения представляют универсальные источники, формирующие широкий электронный пучок для нагрева изделий в вакууме, осаждаемый на них металлический пар и широкий пучок быстрых молекул для предварительной очистки поверхности изделий и для модификации покрытия в процессе его осаждения.

Заключение

Результаты исследований источников широких пучков быстрых нейтральных молекул на основе тлеющего разряда с электростатической ловушкой объемом 1 - 20 литров позволили решить основные задачи, обозначенные во введении настоящей кандидатской диссертации, и существенно расширить знания о тлеющем разряде с электростатическим удержанием электронов:

- выявить роль в формировании пучка плазмы несамостоятельного разряда с электростатическим удержанием электронов в рабочей вакуумной камере и установить механизм его поддержания;

- определить зависимость рабочего диапазона давления и характеристик пучка от геометрических параметров ловушки и эмиссионной сетки источника, а также от тока электронов, бомбардирующих его холодный катод;

- найти пути предотвращения распада анодной плазмы двойного электростатического слоя при давлении газа в ловушке ~ 0,1 Па, а также

- разработать на основе полученных результатов источники широких пучков быстрых нейтральных молекул и универсальные источники широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара.

Среди наиболее значимых результатов работы можно выделить следующие.

1. Впервые изучены зависимости рабочего диапазона давления газа и характеристик широкого пучка быстрых нейтральных атомов и молекул от геометрических параметров эмиссионной сетки и электростатической ловушки тлеющего разряда в источнике пучка, а также взаимозависимость самостоятельного разряда внутри источника и несамостоятельного разряда в области транспортировки пучка;

2. Впервые показано, что в нижнем диапазоне давления области эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) повышение тока электронной эмиссии на холодном катоде в результате его бомбардировки электронами с энергией 0,5 -1 кэВ снижает катодное падение потенциала разряда с током ~ 1 А от ~ 1000 В до ~ 100 В и обеспечивает работоспособность малогабаритных источников нейтральных атомов и молекул с энергией 1-10 кэВ;

3. Экспериментально доказано, что перепад давления между ловушкой объемом ~ 1 ли полым анодом, из которого газ поступает в нее через отверстие с площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание стационарного разряда с током в несколько ампер при давлении газа в ловушке -0,1 Па и работоспособность малогабаритных источников нейтральных атомов и молекул с энергией 10 - 500 эВ;

4. Впервые исследовано осаждение покрытий на проводники и диэлектрики в сопровождении широким пучком быстрых нейтральных молекул, а также осаждение покрытий с помощью универсальных источников пучков ускоренных частиц, совмещенных с потоком металлического пара.

1. Handbook of vacuum arc science and technology: fundamentals and applications // edited by R. L. Boxman, Ph. J. Martin, D. Sanders, Park Ridge, New Jersey, U.S.A.: Noyes Publications, 1995.

2. Suzuki K., Okudaira S., Sakudo N. at al. Microwave plasma etching. // Jap. J. Appl. Phys., 1977. V. 16. No 1. P. 1979 1984.

3. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982.

4. Морозов А. И. и др. Экспериментальное исследование плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. // Журнал технической физики. 1972. Т. 42. Вып. 1. С. 54 63.

5. Benhassine M. et al. Obtention сГ un plasma de forte densite (5x10 11 cm-3) dans une decharge multipolaire de grande dimension. // Revue Phys. Appl. 1984, V. 19. No 7. P. 545-553.

6. Willins D. J., Boyd R. L. F. A study of the electron emission processes in a hollow cathode discharge. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1973. V. 6. No 12, P. 1447 1454.

7. Москалев Б. И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969.

8. Метель А. С. Расширение рабочего диапазона давлений тлеющего разряда с полым катодом // Ж Журнал технической физики ТФ. 1984. Т. 54. Вып. 2 С. 241 -247.

9. Метель А. С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом // Плазменная эмиссионная электроника / Улан-Удэ: Бурятский ин-т естественных наук СО АН СССР, 1991. С. 77-81.

10. Gavrilov N. V., Mesyats G.A., Nikulin S.P., Radkovskii G. V. New broad beam gas ion source for industrial application // J. Vac. Sci. Technol. A. 1996. V. 14. No 3. P. 1050- 1055.

11. Gavrilov N. V., Mesyats G.A., Radkovskii G. V., Bersenev V. V. Development of technological sources of gas ions on the basis of hollow-cathode glow discharges // Surface and Coating Technology. 1997. V. 96. P. 81 88.

12. Визирь A.B., Оке E.M., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников // Журнал технической физики. 1997. Т. 67. Вып. 6. С. 27 31.

13. Oks Е.М., Vizir A.V., Yushkov G.Yu. Low-pressure hollow cathode glow discharge plasma for broad beam gaseous ion sources // Rev. Sci. Instrum. 1998. V. 60. No 2. P. 853 -855.

14. Oks E.M., Vizir A. V., Yushkov G. Yu. Further development of a gaseous ion source based on low-pressure hollow cathode glow // Rev. Sci. Instrum. 2000. V. 71. No 2. P. 728-730.

15. Патент РФ № 2094896, кл. H01J 27/04. Источник быстрых нейтральных молекул / А. С. Метель, С. Н. Григорьев / Заявлено 25.03.96 // БИ. 1997. - № 30.

16. United States Patent No 6,285,025, Int. CI. H01S 1/00; H01S 3/00. Source of fast neutral molecules / A. S. Metel, S. N. Grigoriev / PCT Filed Mar. 18, 1997 // Date of Patent Sep. 4, 2001.

17. Grigoriev S., Melnik Yu., Metel A. Broad fast neutral molecule beam sources for industrial-scale beam-assisted deposition // Surface and Coating Technology. 2002. V. 156. No 1/3. P. 44-49.

18. Метель А. С. Эффект электростатической ловушки в тлеющем разряде // Тез. докл. 3 межд. конф-ции по фундаментальным проблемам физики. Казань, 2005. С. 207.

19. Метель А.С., Григорьев СЛ. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов: физика, техника, применения. М.: ИЦ МГТУ «Стан-кин», «Янус-К», 2005. - 296 С.

20. Осаждение из газовой фазы // под ред. К. Пауэля и др. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1970.-472 С.

21. Осипов К.А., Фолманис Г.Э. Осаждение пленок из низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1973. 87 С.

22. Иванов В.М. Вакуумные покрытия в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.-39 С.

23. Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. М.: Высшая школа, 1989.

24. Плешивцев Н. В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968. 347 С.

25. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энерго-атомиздат, 1986.-248 С.

26. Smith D.L. Physical sputtering model for fusion reactor first-wall material // J. Nucl. Materials. 1978. V. 75. No 1. P. 20 31.

27. Рыжов Ю.А., Шкарбан И.И. Обобщение экспериментальных данных по массообмену между атомарными потоками и поликристаллическими поверхностями // Тематич. сб. трудов МАИ им. Серго Орджоникидзе. Вып. 334. М., 1975. С. 23 -36.

28. Ивановский Г. Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986. 232 С.

29. Rossnagel S.M. Sputtered atom transport processes. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V. 18. No 6. P. 878-882.

30. Phillips С. E. S. //Proc. Roy. Soc. 1898. V. A64, P. 172 179.

31. Phillips С. E. S. //Phil. Trans. Roy. Soc. 1901. V. A197, P. 135 139.

32. Penning F. M. Die Glimmentladung bei niedrigem Druck zwischen koaxialen Zylindern in einem axialen Magnetfeld. // Phisica, 1936. V. 3. No 9. P. 873 894.

33. Penning F. M. Ein neues Manometer fur niedrige Gasdrucke, insbesondere zwischen 10~3und 10-5 mm. // Phisica, 1937. V. 4. No 2. P. 71 -75.

34. Knauer W. Mechanism of the Penning discharge at low pressures. // J. Appl. Phys. 1962. V. 33. No 6. P. 2093 2099.

35. Крейнделъ Ю. E., Ионов А. С. Некоторые особенности разряда в трубках типа Пеннинга при низких давлениях. // Журнал технической физики. 1964. Т.34. Вып. 7. С. 1199- 1204.

36. Кервалишвили Н. А., Жаринов А. В. Характеристики разряда низкого давления в поперечном магнитном поле. // Журнал технической физики. 1965. Т.35. Вып. 12. С. 2194-2207.

37. Lieberman М.А., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. New York: John Willey & Sons, 1994.

38. Muenz W.D., Schulze D., Hauzer F.J.M. A new method for hard coating: ABS ™ (arc bond sputtering). // Surface and Coating Technology. 1992. V. 50. No 1-3. P. 169- 178.

39. Edison Т. A. Art of plating one material with another. US Patent 526,147, September 18, 1894, filed January 28, 1884. 41 .Anders A. Ion charge state distribution of vacuum arc plasmas: The origin of species.//Phys. Rev. E. 1997. V. 55. No l.P. 969-981.

40. Byon E., Anders A. Ion energy distribution functions of vacuum arc plasmas. // J. Appl. Phys. 2003.V. 93. No 4. P. 1899 1906.

41. Фурсей Г.Н., Воронцов-Вельяминов П.Н. Качественная модель инициирования вакуумной дуги. II. Автоэмиссионный механизм инициирования вакуумной дуги. // Журнал технической физики. 1967. Т. 37. Вып. 10. С. 1880 -1888.

42. Mack М. Oberflaechentechnik Verschleissschutz. // Die Bibliothek der Technik. Band 38. Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie AG & Co., 1990.

43. Boxman R.L., Zhitomirsky V.N. Vacuum arc deposition devices (Review article). // Rev. Sci. Instrum. 2006. V. 77. No 2. P. 1 15.

44. Аксенов И.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы. Харьков: ННЦХФТИ, 2005.-212 С.

45. Al.Amano J., Lawson R. Thin film deposition using low energy ion beams (2) Pb + ion-beam deposition and analysis of deposits. // J. Vac. Sci. Technol. 1977. V. 14. No 2. P. 690-694.

46. Amano J., Lawson R. Thin film deposition using low energy ion beams (3) Mg + ion-beam deposition and analysis of deposits. // J. Vac. Sci. Technol. 1977. V. 14. No 2. P. 695-698

47. Weiler M., Sattel S., Jung K. et al. Highly tetrahedral diamond-like amorphous hydrogenated carbon prepared from a plasma beam source. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. P. 2797-2799.

48. Bhattacharya R.S., Wu R.L.S., Yust C.S. Tribological properties of ion beam deposited diamond-like carbon films on silicon nitride. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 1383.

49. Waldorf J. Large area ion and plasma beam sources. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1996. V. 113. P. 8-15.

50. Tagaki T. Role of ions in ion-based film deposition. // Thin Solid Films. 1982. V. 92. P. 1.

51. Modification of thin film properties by ion bombardment during deposition // edited by O. Auciello andR. Kelly, Amsterdam: Elsevier, 1994.

52. Wolf G.K, Ensinger W. Ion bombardment during thin film deposition and its influence on mechanical and chemical surface properties. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 173 181.

53. Barth M., Ensinger W, Hoffmann V., Wolf G.K. Stress and adhesion of chromium and boron films deposited under ion bombardment. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 254-258.

54. Wolf G.K. Modification of chemical surface properties by ion beam assisted deposition. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1990. V. 46. P. 369 378.

55. Wollenberger H. Ion beam mixing and phase stability. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1990. V. 48. P. 493-498.

56. SS.Ruset C., Grigore E. The influence of ion implantation on the properties of titanium nitride layer deposited by magnetron sputtering. // Surface and Coatings Technology. 2002. V. 156. No 1/3. P. 159 161.

57. Chen Yuanru, Li Shizhuo et al. Mechanical and tribological properties of silicon nitride films synthesized by ion beam enhanced deposition. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1991. V. 59/60. P. 1295 1299.

58. A. Voevodin et al. (eds.), Kluwer Academic Publishers, Boston, Dordrecht, London. 2004. P. 113-122.

59. Howson R.P., Jafer H.A., Spencer A.G. Substrate effects from an unbalanced magnetron. // Thin Solid Films. 1990. V. 193/194. P. 127 137.

60. Wolf G.K. Modification of mechanical and chemical properties of thin films by ion bombardment. // Surface and Coatings Technology. 1990. V. 43/44. P. 920 -935.

61. Kaufman H.R. Broad beam ion sources. // Rev. Sci. Instrum. 1990. V. 60. No 1. P. 230-235.

62. Hayes A. V., Kanarov V., Vidinsky B. Fifty centimeter ion beam source. // Rev. Sci. Instrum., 1996, v. 67, No 4, p. 1638 1641.

63. Кулыгин B.M., Панасенков A.A., Семашко H.H., Чухин И.А. Ионный источник без внешнего магнитного поля. // ЖТФ. 1979. Т. 49. Вып. 1. С. 168 172.6l.Ehlers K.W. Rectangulary shaped large area plasma source. // Rev. Sci. Instrum. 1979. V. 50. P. 1353 1362.

64. Groh КН., Loeb H. W., Velten W. RF-ion thruster performance data for inert gas propellants. // 7-th Int. Conf. Gas Discharges and Appl, London, 1982. P. 407 -409.

65. Proudfoot G., Mahony C.M.O., Perrin R. Development and use of a large area ul-tralow energy reactive ion beam. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 1989. V. 37/38. P. 103- 106.

66. Никитинский В. А., Журавлев Б. И. Разряд, контрагированный в скрещенных полях с холодным полым катодом. // Журнал технической физики. 1980. Т. 50. Вып. 2. С. 440-442.

67. Никитинский В. А., Журавлев Б. И. Условия существования разряда с холодным катодом, контрагированного в скрещенных полях // Журнал технической физики. 1982. Т. 52. Вып. 5. С. 880 883.

68. Никитинский В. А., Журавлев Б. И., Гапоненко А. Т. Двухкаскадный самостоятельный разряд низкого давления // Журнал технической физики. 1985. Т. 55. Вып. 8. С. 1637- 1639.

69. Глазунов В. Н., Метель А. С. Инверсия катодной полости тлеющего разряда в магнитном поле // Журнал технической физики. 1981. Т. 51. Вып. 5. С. 932 -939.

70. Глазунов В. Н., Гречаный В. Г., Метель А. С. Тлеющий разряд в поперечном магнитном поле // Журнал технической физики. 1982. Т. 52 Вып. 9. С. 1767 -1772.

71. Глазунов В. Н., Метель А. С. О механизме потерь быстрых электронов в тлеющем разряде с осциллирующими электронами // Физика плазмы. 1982. Т. 8. Вып. 5. С. 1099- 1104.

72. Zl.Meccu Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. М.: ИЛ, 1958. -604 С.

73. Метель А.С., Настюха А.И. О роли дополнительной ионизации газа осциллирующими электронами в области катодного падения потенциала тлеющего разряда с полым катодом // Изв. вузов Радиофизика. 1976. Т. 19. Вып. 12. С. 1884- 1890

74. Метель А. С. Влияние ионизации в катодном слое на характеристики тлеющего разряда с осциллирующими электронами. I. Разряд с полым катодом // Журнал технической физики. 1985. Т. 55. Вып. 10. С. 1928 1934.

75. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. М.: Мир, 1967.

76. Warner В. Е., Persson К. В., Collins G. J. Metal-vapor production by sputtering in a hollow-cathode discharge: Theory and experiment. // J. Appl. Phys. 1979. V. 50. No 9. P. 5694-5703.

77. Koch H., Eichler H. J. Particle densities in high current hollow cathode discharges. //J. Appl. Phys. 1983. V. 54. No 9. P. 4939-4946.

78. Rybnicek J. Corpuscular diagnostics of a hollow-cathode discharge III. The metal-ions-regime evolution. // Czech. J. Phys. 1980. V. В 30. P. 1307 - 1314.

79. Гречаный В. Г., Метель А. С. Тлеющий разряд с полым катодом в вакуумном режиме катодной полости // Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. Вып 6. С. 444-448.

80. Метель А. С. Особенности установления квазистационарного состояния сильноточного тлеющего разряда с полым катодом при пониженных давлениях газа // Журнал технической физики. 1986. Т. 56. Вып. 12. С. 2329 -2339.

81. Gavrilov N. V., Nikulin S. P. Ion emitter based on cold cathode discharge. US Patent No 5.569.976. (H 01 J61/09) Опубл. 29.11.96

82. Гаврилов H.B., Емлин Д.Р., Радковский Г.В. Источник широких однородных пучков низкоэнергетичных (~ 0,5 кэВ) газовых ионов // Приборы и техника эксперимента. 2000. Вып. 2. С. 113 118.

83. Гаврилов Н.В., Емлин ДР., Никулин СЛ. Использование тлеющего разряда в магнитном поле для получения широких ионных пучков технологического применения // Изв. вузов Физика. 2001. Вып. 9. С. 48 - 56.

84. Никулин С.П., Чичигин Д.Ф., Третников П.В. Генерация однородной плазмы и широких ионных пучков в пеннинговской системе с неэквипотенциальным катодом // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. Вып. 9. С. 39 42.

85. Гаврилов Н.В., Каменецкий А.С. Характеристики ионного источника с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. Вып. 9. С. 97 102.

86. Патент РФ № 2110867, кл. H01J 27/04. Плазменный эмиттер ионов / А. С. Метель, С. Н. Григорьев, Е. Р. Цыновников, Ю. А. Мельник, С. В. Федоров / Заявлено 15.12.96 // БИ. 1998. - № 13.

87. Патент РФ № 2008739, кл. H01J 27/04. Источник ионов / А. С. Метель / Заявлено 28.04.92 // БИ. 1994. - № 4.

88. Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969.

89. Далгарно А. Атомные и молекулярные процессы. / Под ред. Д. Бейтса. М.: Мир, 1964, с. 552.

90. Месси Г., Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. М.: ИЛ, 1958.

91. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах: Пер. с англ. / Под ред. Арцимовича JI.A. // М.: Мир, 1967.

92. Ш. Григорьев С. Н., Мельник Ю. А., Метель А. С. Снижение катодного падения потенциала тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов при облучении катода электронами с энергией 0,5 2 кэВ // Инженерная физика. 2005. Вып. 3. С. 23 - 27.

93. Baglin V., Bojko J., Groebner О. et al. The secondary electron yield of technical materials and its variation with surface treatments // 7th European Particle Accelerator Conference: Proceedings. Vienna, Austria, 2000. P. 217 221.

94. Shamim M.M., Scheuer J.T., Fetherston R.P., Conrad J.R. Measurement of electron emission due to energetic ion bombardment in plasma source ion implantation // J. Appl. Phys. 1991. V. 70. No 9. P. 4756 4759.

95. Мельник Ю. А., Метель А. С. Особенности генерации плазмы в источнике быстрых молекул с полым анодом снаружи его электростатической ловушки // Инженерная физика. 2005. Вып. 2. С. 26 29.

96. Григорьев С. Н., Метель А. С., Мельник Ю. А. Разработка источника пучка быстрых нейтральных молекул // Тез. докл. совместной сессии и выставки-ярмарки перспективных технологий. Тула, 1997. С. 162.

97. S. Grigoriev, A. Metel, A. F. Cakir et al. Thin film deposition through complex ion-plasma treatment // Взаимодействие ионов с поверхностью. Материалы 14-й международной конференции, Звенигород, 1999. М. Т. 2. С. 218 221.

98. Качество машин. Сборник трудов 4-й Международной научно-технической конференции». 2001, Брянск: Издательство БГТУ. Т. 2. С. 128 130.

99. Ml. Григорьев С. H., Исайков А. П., Мельник Ю. А., Метель А. С. Осаждение упрочняющих покрытий с помощью универсальных источников ускоренных частиц // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. Вып. 9. С. 36 40.