Источники широких пучков ионов газов на основе тлеющего разряда для технологических применений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

(

Емлин Даниил Рафаилович

ИСТОЧНИКИ ШИРОКИХ ПУЧКОВ ИОНОВ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

Специальность: 01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2013

005537735

005537735

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН)

Научный руководитель: Гаврилов Н. В., доктор технических наук

член-корреспондент РАН зав. лабораторией ИЭФ УрО РАН

Официальные оппоненты: Овчинников В. В., доктор физ,- мат.

наук, профессор, зав. лабораторией, ИЭФ УрО РАН

Мартене В. Я., доктор технических наук, доцент, профессор кафедры физики, электротехники и электроники СевероКавказского федерального университета

Ведущая организация: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск

Защита диссертации состоится « 3 » декабря в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 004.024.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте электрофизики Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИЭФ УрО РАН по адресу: г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

Автореферат разослан «_1_» ноября 2013 г.

Заверенные печатью учреждения отзывы просим направлять по адресу: ИЭФ УрО РАН, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор физико-математических нау

Н.Н. Сюткин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время для изменения свойств и характеристик поверхности материалов и изделий широко используется воздействие высокоэнергетичных потоков ионов, электронов, плазмы, лазерного излучения и т.д. Использование технологий ионной имплантации или ионно-ассистируемого нанесения покрытий открывает широкие возможности создания соединений и сплавов методом, изменяющим параметры и функциональные свойства поверхности без изменения объемных свойств материалов. К достоинствам ионной имплантации относят возможность внедрения в приповерхностный слой практически любых элементов, независимость состава слоя от растворимости компонентов, возможность легирования при низких температурах и отсутствие прямой связи результатов легирования с диффузионными процессами; сохранение исходных размеров изделий, возможность управления энергией ионов в широких пределах, и, как следствие, глубиной проникновения ионов и формой профиля легирующих ионов. Пучки ионов низких энергий (менее 1 кэВ) применяются, в основном, для очистки, полировки, травления поверхности, при нанесении покрытий ионным распылением мишеней. Воздействие пучка ионов с энергией в десятки кэВ позволяет легировать поверхностный слой, изменять его структурный и фазовый состав, создавать и залечивать дефекты кристаллической решетки. При ионно-ассистированном осаждении покрытий пучок ионов термомеханически активирует поверхность, обеспечивает

термостимулированное ионное насыщение поверхности, ионно-лучевое перемешивание осаждаемых атомов, изменение структуры покрытия.

Толщина модифицированного слоя складывается из двух составляющих - непосредственно легированного слоя, и слоя модифицированного в результате вторичных, в том числе, динамических эффектов, связанных с рассеянием энергии иона. Существенную роль могут играть пластические деформации, обусловленные напряжениями от внедряемых примесей, радиационно-стимулированная диффузия и другие эффекты. При энергиях ионов до 50 кэВ проективная длина пробега тяжелых ионов составляет несколько десятков нанометров. Разогрев мишеней пучками ионов и процессы радиационно-стимулированной диффузии увеличивают легированный слой приблизительно до ста нм. В то же время полная толщина слоя с модифицированной структурой и фазовым составом иногда достигает нескольких десятков микрон. В некоторых случаях радиационно-динамическое воздействие ионного пучка на метастабильные среды приводит к увеличению глубины модифицированного слоя вплоть до нескольких миллиметров1.

Если при ионно-лучевой обработке с целью легирования

1 Овчинников В.В. Радиационно-дниамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных // УФН. - 2008. - Т. 178. - №9. - С. 991 - 1001.

полупроводников или изменения оптических свойств поверхности требуются экспозиционные дозы порядка 1015-1016 см"2, то для изменения трибологических, механических, химических и других свойств металлов и сплавов и конструкционных материалов на их основе необходимы дозы до 1017-1018 см"2.

Переход от лабораторных установок к промышленным устройствам достигается масштабированием разрядных систем и источников ионов для получения пучков большого сечения с высокой плотностью тока, постоянной по сечению пучка. Желательно, чтобы технологические источники обладали стабильностью параметров пучка, высоким ресурсом, надежностью, работали с высокой энергетической и газовой экономичностью, а также . отличались простотой конструкции и обслуживания.

Широко распространенные источники с накаливаемыми катодами отвечают большинству из этих требований, однако имеют ограниченный ресурс катода при работе в химически активных средах и повышенных давлениях газа, что сужает сферу их применений. Альтернативными источниками являются источники с холодным катодом на основе тлеющего разряда. Холодный катод имеет высокий ресурс, способен работать в химически-активных газовых средах и при высоких давлениях. Значительное снижение рабочих давлений (до ~ 0,004 Па) было достигнуто применением разряда с плазменным катодом на основе тлеющего разряда2, однако, задачи создания генераторов однородной плазмы большого объема, расширения диапазона рабочих давлений (от 0,5 до 0,005 Па), формирования слаборасходящихся широких (более 100 см2) или ленточных пучков (~ 1 м) с плотностями тока (=1-10 мА/см2), энергиями ионов от ~ 100 эВ до 50 кэВ и средним током в сотни мА не являются до конца решенными. Отдельную проблему представляет создание источников для ионно-лучевого сопровождения процесса нанесения покрытий, способных работать в присутствии плотной металлической плазмы.

В связи с вышесказанных разработка необходимых для различных сфер применения технологических источников пучков ионов большого сечения с высокими физико-техническими и эксплуатационными характеристиками представляется актуальной и важной

Целью работы являлась разработка технологических источников широких пучков газовых ионов низких (300 - 1000 эВ) и высоких энергий (5 - 50 кэВ) на основе тлеющего разряда низкого давления с холодным катодом. Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать ионно-эмиссионные характеристики плазмы самостоятельного тлеющего разряда с полым катодом и несамостоятельного разряда с плазменным катодом и ловушкой для

2 Визирь A.B., Оке Е.М., Щанин П.М., Юшков Г.Ю. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников // ЖТФ. - 1997. -Т. 67.-В. 6.-С. 27-31.

быстрых электронов.

2. Разработать на базе тлеющего разряда газоразрядные системы для создания однородного плазменного эмиттера ионов с большой площадью рабочей поверхности (100 - 1000 см2) и линейного эмиттера ионов значительной протяженности (100 см) с плотностью тока насыщения ионов из плазмы ~ нескольких мА/см2. ^

3. Исследовать влияние ионного слоя между плазмой и экранным (эмиссионным) электродом системы формирования ионного пучка (ИОС), характеризующегося значительной толщиной (несколько мм) и большим падением потенциала (сотни вольт) на формирование ионного пучка.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что переход от цилиндрического к коническому катоду в конструкции технологического источника широкого пучка ионов газа (10 -50кэВ) на основе самостоятельного тлеющего разряда низкого давления в разрядной системе с полым катодом и стержневым анодом в аксиальном магнитном поле позволяет, сохраняя высокую однородность плазменного эмиттера, увеличить ток извлекаемых из плазмы ионов в ~ 2 раза. Эффект обусловлен увеличением отношения площади эмиссионной поверхности плазмы к полной площади катода и появлением аксиальной составляющей скорости эмитированных катодом электронов в направлении эмиссионного электрода, способствующей локализации плазмы вблизи эмиттера ионов.

2. Показано, что отбор ионов из плазмы самостоятельного тлеющего разряда через отверстия в катодном электроде приводит к снижению эффективности извлечения с уменьшением энергии ионов, но позволяет снизить угловую расходимость пучка из-за ухода ионов с большими радиальными скоростями на электроды оптики. Формирование широкого низкоэнергетического ионного . пучка с максимальной плотностью тока до ~ 1 мА/см2 достигается применением электродных систем, в которых разряд стабильно функционирует при плавающем потенциале экранного электрода ИОС.

3. Предложена оригинальная разрядная система с полыми широкоапертурпым катодом и анодом в аксиальном магнитном поле (10 -40 мТл), в которой устойчиво функционирует тлеющий самостоятельный разряд с токами до ~ 1 А при низких давлениях газа (~ 0,008 - 0,01 Па) и изменении потенциала эмиссионного электрода в широких пределах. Неоднородность плазменного эмиттера ионов, генерируемого в анодной области разряда, не превышает 5 % на диаметре ~ 80 - 100 мм и не зависит от потенциала эмиссионного электрода, что позволяет формировать широкие низкоэнергетические ионные пучки с высокой эффективностью или малой угловой расходимостью.

4. Показано, что расширение анодной части (РАЧ) тлеющего разряда дает возможность использовать в разрядной системе плазменного катода с сеточной стабилизацией (СПК) сетки с большой площадью поверхности, что обеспечивает понижение давления газа и плотности

плазмы в области сетки и, соответственно, величины обратного ионного потока. В результате достигается повышение максимальных рабочих давлений СПК до ~ 0,5 Па. Снижение плотности плазмы и рост толщины ленгмюровских слоев в отверстиях позволяет применять в качестве сетки СПК толстые электроды с диаметром отверстий в несколько мм. Выбором размеров отверстий СПК задается диапазон давлений и плотностей тока, при которых СПК стабильно функционирует с эффективностью извлечения ~ 1.

5. Несамостоятельный разряд с СПК и крупноструктурной сеткой реализован в двух типах разрядных систем: электродной системе с удержанием быстрых электронов в электростатической ловушке, образованной протяженным полым катодом, и в системе с полым анодом, экранированным периферийным многополюсным магнитным полем. Неоднородность распределения плотности эмиссионного тока ионов по поверхности плазменного эмиттера на основе несамостоятельных разрядов не превышает 5-10 %. Показано, что энергетическая цена иона в пучке источника с несамостоятельным разрядом с полым анодом составляет ~ 0,4 - 0,8 кэВ/ион, с полым катодом — 2 кэВ/ион, а в источниках на основе самостоятельного тлеющего разряда ~ 3 - 6 кэВ/ион. Разрядная система с электростатическим удержанием быстрых электронов использована в источниках ленточных ионных пучков высоких энергий; а система с полым анодом - в источниках низкоэнергетических ионных пучков.

6. Показано, что условиями получения однородного ленточного эмиттера ионов в несамостоятельном разряде в электродной системе с электростатическим удержанием быстрых электронов в протяженном полом катоде длиной Ь являются: 1) выравнивание плотности газа в объеме катода, 2) инжекция электронов в соосном оси протяженного полого катода направлении и 3) выполнение соотношения А > Ь, где Л - длина ионизационного пробега электронов.

Практическая реализация результатов работы:

1. Разработан технологический источник широких пучков газовых ионов импульсно-периодического (ИП) и непрерывного режимов генерации «Пион/Пульсар», в котором использован самостоятельный тлеющий разряд в системе типа обращенный магнетрон. Источник обеспечивает ток пучка до 200 мА, энергию ионов до 50 кэВ, время непрерывной работы более 4 — 8 часов и используется для ионно-лучевого сопровождения процесса вакуумно-дугового нанесения покрытий.

Источники непрерывного режима (10 - 40 кэВ, 50 мА) используются для ионной очистки, активации поверхности изделий, ионной имплантации основы и осаждения износостойких многослойных покрытий с ионно-лучевым сопровождением на лопатки компрессора газотурбинного двигателя на установках ННВ6,6И1 в ОАО «УЗГА» (Екатеринбург). На ФГУП «ВИАМ» (Москва) источники ИП/непрерывного режимов генерации ионного пучка (7 - 50 кэВ, средний ток 200 мА) используются в установках МАП-3, предназначенных нанесения ионно-плазменных

защитных и упрочняющих покрытий с ионно-лучевым сопровождением.

2. На основе разрядной системы с полыми широкоапертурными катодом и анодом в аксиальном магнитном поле создан низкоэнергетический (300- 1000 эВ) источник слаборасходящихся (6 - 10°) пучков газовых ионов с поперечным сечением ~ 50 см2. Радиальная неоднородность ионного пучка с плотностью тока до 0,6 мА/см2 не превышает 10%. Источник способен длительное время (до 200 ч) работать в режиме генерации пучка ионов кислорода. Источник разработан по контракту с Брукхейвенской национальной лабораторией, США.

3. На основе разрядной системы с СПК и протяженным полым катодом разработан источник ленточных ионных пучков (10 - 40 кэВ), работающий в ИП, или непрерывном режимах со средним током пучка до 200 мА при линейной неоднородности ~ 20%. Источник используется в Инновационном НТНП «Технопарк авиационных технологий» (Уфа) для комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки материалов.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается детальным анализом закономерностей исследуемых процессов (при многократном воспроизведении результатов в проведенных экспериментах), отсутствием противоречий с полученными ранее данными других авторов, а также созданием на основе проведенных исследований действующих экспериментальных образцов газоразрядных систем, экспериментальных и технологических ионных источников.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В электродной системе тлеющего разряда с широкоапертурным (~0 40 мм) полым катодом в магнитном поле (15 - 40 мТл) в анодной полости больших размеров (~ 0 80 х Л 120 мм) при пониженных давлениях газа Ю-2 Па) создается плазменный эмиттер (~ 100 см2), равномерное распределение плотности тока ионов (~ 1 - 2 мА/см 2) по поверхности которого создается при наличии радиальной неоднородности плотности плазмы и градиента электронной температуры.

2. В источнике ионов на основе тлеющего разряда изменение потенциала экранного электрода ионно-оптической системы от катодного (сотни вольт) до плавающего (десятки вольт) приводит к росту эффективности извлечения ионов из плазмы с ~ 2 до ~ 4 % и угловой расходимости низкоэнергетических ионных пучков (менее 1 кэВ) с ~4° до ~ 8°, при увеличении энергии ионов свыше 20 кэВ потенциал электрода не оказывает существенного влияния на параметры ионного пучка.

3. Применение тлеющего разряда с полым катодом и расширенной анодной частью позволяет увеличить площадь сетки плазменного катода (с ~ 1 до 100 и более см2) и снизить плотность плазмы и давление газа в области сетки, соответствующий рост толщины ленгмюровских слоев в отверстиях сетки позволяет использовать крупноструктурные сетки, обладающие повышенным ресурсом (~ 103 ч), а снижение плотности

прямого электронного и обратного ионного потоков позволяет увеличить рабочее давление до 0,5 Па.

4. В протяженной электродной системе, образованной полым катодом и стержневым анодом и являющейся электростатической ловушкой для инжектируемых вдоль оси быстрых электронов, генерация плазмы с близким к однородному (±5%) распределением плотности по длине катода (L ~ 1 м) достигается при равномерном распределении плотности газа в объеме и длине ионизационного пробега инжектируемых электронов Л =L, а высокая эффективность генерации ионов в объеме ловушки обеспечивается при увеличенном пропорционально отношению полного тока на анод к току на него вторичных частиц соотношении площадей анода и катода.

Апробация работы. Результаты работ докладывались и обсуждались на 2-й международной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Томск, 2000); 5-й конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы (Томск,

2000); 4th International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams (Украина,

2001); 6th International conference of modification of materials with particle beams and plasma flows (Томск, 2002); Урало-сибирской научно-практической конференции (Екатеринбург, 2003); 10,h international conference on ion sources (Дубна, 2003); 8th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2006); 9th international conference on modification of materials with particle beams and plasma flows (Томск, 2008); III Международном семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (Улан-Удэ, 2009); Российской научно - практической конференции «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения» (Томск, 2009); Седьмой научно -практической конференции OÄO «ОКБ Новатор» «Люльевские чтения» (Екатеринбург, 2010); 3rd International Congress on Radiation Physics, High-Current Electronics and Modification of Materials (Томск, 2012); 11-й Международной конференции «Пленки и покрытия-2013» (С.-Петербург, 2013) и представлены в сборниках докладов конференций [1 - 20]. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК [21-32]. Технические решения, полученные в результате. работ, защищены патентами РФ, правообладателем которых является ИЭФ УрО РАН [33 - 37].

Личный вклад автора состоит в проведении эксперимента, обработке и детальном анализе экспериментальных данных, написании и подготовке к публикации научных статей, формулировке совместно с научным руководителем основных положений и выводов, выносимых на защиту. На базе результатов исследования при непосредственном участии автора разработано и изготовлено несколько типов ионных источников для конкретных практических применений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа представлена на 168 страницах и содержит 72 рисунка, 1 таблицу и список литературы, включающий 180 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, поставлена цель и определены основные задачи исследований, кратко описаны научная новизна и практическая значимость исследований. Кратко изложено содержание диссертационной работы и представлены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу свойств газоразрядных систем и систем формирования пучка в источниках широких пучков газовых ионов. Сформулированы основные проблемы разработки технологических источников: получение однородного плазменного эмиттера ионов с большой площадью поверхности; повышение энергетической эффективности и газовой экономичности; формирование пучков с малой угловой расходимостью многоапертурной электростатической ионно-оптической системой (ИОС); повышение ресурса электродов при работе с химически активными газами,

работы, а также упрощение конструкции разрабатываемых устройств. Сделан вывод, что тлеющий разряд с холодным катодом имеет перспективы использования при разработке технологических источников широких ионных пучков.

обеспечение надежности

п

Вторая глава посвящена разработке и

модификации разрядных систем на основе

самостоятельного тлеющего разряда низкого электродных г г

обращенный давления. Одной из задач работы является

магнетрон: / — цилиндрический разработка систем обеспечивающих полый катод, 2 — стержневой генерацию однородной плазмы большого анод, 3 — перфорированный объема; высокую эффективность извлечения экранный электрод ИОС, 4 - иопов пз плазмы а = /Д, и повышенную коническая катодная вставка, 5 . .

— соленоид энергетическую эффективность генерации

ионов в плазме //= /Д/Д/ = а/иа (/А и,, ток и напряжение разряда, 7, - ток ионов из плазмы). Другой задачей является разработка генератора плазмы, функционирующего при низких рабочих давлениях р (или расходах газа <3). Третья задача - исследование условий формирования широких ионных пучков низких и высоких энергий. Улучшение характеристик ионного источника широкого пучка на основе электродной системы с полым катодом и стержневым анодом в аксиальном

магнитном поле3 достигнуто заменой цилиндрического катода коническим. В такой системе ускоренные в катодном слое электроны

приобретают аксиальную

составляющую скорости в направлении эмиссионной

поверхности (рис. 1).

Следствием этого является повышение плотности быстрых Рис. 2. Эмиссионные характеристики электронов в широкой части ионного источника. Магнитная конического катода и локализация индукция В =1 (1, 2) и 1,5 мТл (3, 4). плазмы вблизи экранного электрода. В источнике с модернизированной разрядной системой полученные значения а ~ 14 - 21% выше характерных для разрядной системы с цилиндрическим катодом (5-10 %) (рис. 2). При используемых низких рабочих давлениях ~0,03 - 0,1 Па ц составляет 0,2 — 0,25 А/кВт. В самостоятельном разряде достигнутая ц близка к максимально возможному пределу, ограниченная ростом напряжения горения разряда Uj, связанным с увеличением доли отбираемых ионов а (Ud ~ UJ(\-a) ~ 25%)4. Дополнительно, в условиях эксперимента U^ увеличивалось из - за уменьшения в ~ 2 раза объема разрядной системы. Причиной повышения доли отбираемых ионов является рост отношения площади эмиссии к площади катода s/Sc ~ 0,13 и локализация плазмы вблизи эмиссионной поверхности. Условия замкнутого дрейфа электронов в аксиальном магнитном поле вблизи эмитирующей поверхности сохраняются в системе с коническим катодом, в результате плазменный эмиттер однороден, как и в системе с цилиндрическим катодом, а степень его неоднородности регулируется изменением величины магнитной индукции. Недостатком исследованных разрядных систем являются относительно высокие рабочие давления: более ~ 0,02 Па в системе с цилиндрическим и ~ 0,04 Па — в системе с коническим катодом. Формирование интенсивных ионных пучков низких энергий затруднено большой разностью потенциалов (сотни вольт) и большой толщиной ионного слоя (до десятка миллиметров) между плазмой и эмиссионным электродом ИОС, катодный потенциал которого обеспечивает удержание быстрых электронов. Анализ характеристик разряда и плазмы в разрядных системах типа обращенный магнетрон, плазматронной с выходной апертурой в полом катоде малого диаметра и пеннинговской позволил предложить комбинированную разрядную систему (рис. 3) с широкоапертурными полым катодом и полым анодом,

3 Гаврилов Н.В., Никулин С.П., Радковский Г.В. Источник интенсивных широких пучков ионов газов на основе разряда с полым катодом в магнитном поле // ПТЭ. -1996.-№ 1. -С. 93 -98.

4 Никулин С.П. Влияние ионной эмиссии на характеристики тлеющего разряда с полым катодом // ЖТФ. - 2000. - Т. 70, - №10, - С. 122 - 124.

Катодный спой

Газ

1Ж1

|— К !

1 1 „

\

помещенными в аксиальное магнитное поле. Тлеющий разряд в такой системе устойчиво поддерживается при минимальном потоке газа и рабочем давлении: ~ 6-8-10 Па (С? ~ 10 см3/мин).

Эффективное удержание быстрых электронов вблизи боковых стенок

полого катода обеспечивается сильным магнитным полем (до 40 мТл), в котором ларморовский радиус быстрых электронов меньше расстояния до катодной апертуры 20 мм). Разряд зажигается при С2~8 см3/мин, В = 8 мТл и катодном потенциале экранного электрода ИОС.

Большой диаметр катодной апертуры (0=211-0,8 от диаметра катода) и применение расходящегося магнитного поля с осевым градиентом ~ 0,2 - 1 мТл/см позволяют получить плазменный эмиттер с

неоднородностью 3 - 5 % на диаметре

Э (рис. 4). Отбор ионов из анодной плазмы и потенциал эмиссионного электрода (от катодного до плавающего) не влияют на характеристики разряда и

однородность плазменного эмиттера. Плотность эмиссионного тока при токе разряда 0,25 - 0,7 А составляет 0,35-3 мА/см2.

Увеличение неоднородности радиального распределения

плавающего потенциала зонда (- 10 — 40 В) является следствием наличия градиента температуры электронов 3-5 эВ/см) в анодной области плазмы: кТе~ 8 эВ на периферии, 1,2 эВ в осевой области. В системе с плавающим потенциалом экранного электрода Те ниже из-за ухода на электрод электронов с высокими продольными скоростями.

Измеренные профили плотности тока у ~ епг более однородны, чем профили плавающего потенциала, поскольку в соответствии с соотношением Бома плотность тока эмиссии ионов / ~

Ионный

слом

ЧаподиыП ♦ сноп

Рис. 3 Плазменно-эмпсснонная система на основе тлеющего разряда. Распределение потенциалов в разрядной системе ф(г). 1, 2- полый катод, 3 -анод, электроды ИОС: 4.1 - эмиссионный, 4.2-ускорягощий, 4.3- замедляющий, 5 -магниты. £„ £, £г - потенциалы катода, экранного электрода, плазмы.

Рис. 4. Радиальные профил! тока у (а) и плавающего зонда Ф (Ь).

плотности потенциала

еп(кТ/М)'/2 ~ Т''\ а плавающий потенциал Ф(г) ~ (кТ/е)1п(0,77(М/т)"2) ~ Те. Плотность плазмы п ~ ]/Ф1'2 ~ ]1Те"2. При однородном распределении ионного тока насыщения и наличии градиента температур ~ 3 - 5 эВ/см зависимость радиального распределения плотности плазмы п(г) должна быть немонотонной и иметь максимум в осевой области.

Возможность выбора потенциала экранного электрода ИОС позволила исследовать формирование широкого низкоэнергетичного пучка с плотностью тока ~ 1 мА/см2 ускоряюще - замедляющей трехэлектродной многоапертурной ИОС с диаметром апертур 2 - 4 мм и толщиной электродов 2 - 0,5 мм при разности потенциалов между плазмой и экранным электродом ДГ = 30 - 500 В (рис. 5). При такой разности потенциалов толщина слоя пространственного заряда варьируется от ~3,5 до ~1 мм. Увеличение толщины слоя затрудняет формирование вогнутой плазменной поверхности, что повышает ток ионов на экранный электрод и изменяет условия формирования пучка.

В ускоряющем зазоре ИОС ионы приобретают энергию еиш = е(17ле,+иь) и

тормозятся в замедляющем зазоре до заданной энергии е11„е1 фь отрицательное напряжение на ускоряющем электроде), в котором завершается формирование пучка. Угловая расходимость ионного пучка оценивалась по ширине радиальных профилей плотности ионного тока.

Условия достижения

максимального тока в

низкоэнергетическом пучке не совпадают с условиями формирования Рнс. 5. Зависимость а) половинного угла пучка с минимальной угловой расходимости м/2 и б) отношения тока расходимостью (рис. 5).

на коллектор к току из плазмы 4//е от Максимальный ток обеспечивается в напряженности поля в ускоряющем

промежутке. расходящемся пучке при плавающем

потенциале экранного электрода. При увеличении падения напряжения на слое ДГ , т.е. при увеличении энергии извлекаемых ионов, для фокусировки пучка и уменьшения угла расходимости необходимо увеличивать напряженность поля Е в ускоряющем промежутке. В результате ухода ионов с большой радиальной скоростью на электроды ИОС минимальный угол расходимости достигается при катодном потенциале экранного электрода (~ 6° при энергиях ионов ~ 500 эВ).

Однако, при формировании пучка высоких энергий разность потенциалов между плазмой и экранным электродом не оказывает заметного влияния на условия его формирования и угловую расходимость,

поскольку напряженность поля в ускоряющем промежутке, обеспечивающая фокусировку пучка, на 1 - 2 порядка выше напряженности поля в ионном слое пространственного заряда, и толщина слоя не влияет на форму мениска плазменного эмиттера в отверстиях сетки ИОС. В соответствии с законом Чайлда-Ленгмюра для плоского диода при ускоряющих напряжениях 10-50 кэВ, плотности тока -0,2-3 мА/см2 эффективная длина ускоряющего промежутка ИОС 1е составит несколько см. Угол расходимости ионного пучка уменьшается с уменьшением величины аспектного соотношения ИОС Sx=d/2le.5 При рекомендуемой величине Sx ~ 0,2 - 0,3 слаборасходящийся ионный пучок может быть сформирован ИОС с диаметром единичных апертур ~ 12 мм. Использование таких отверстий, как и повышение толщины электродов до нескольких мм, принципиально упрощает технологию изготовления электродов, сборку и юстировку отверстий в электродах ИОС. Как следствие, повышается стойкость электродов к термическим и механическим нагрузкам. Минимальный угол расходимости высокоэнергетичного ионного пучка составляет ~ 1,2°.

Возможность формировать пучок с токами 5 - 200 мА в широком диапазоне плотностей токов (~ 0,05 - 2 мА/см2) достигается в непрерывном режиме. При переходе к такому режиму увеличивается длина ускоряющего промежутка ИОС L и снижается напряженность поля Е. Искажение эквипотенциален ускоряющего поля на периферии пучка под влиянием стенок заземленного корпуса и наличия собственного пространственного заряда приводит к искривлению траекторий пучка, его расширению на ~ 4 мм и замыканию периферийных единичных пучков на ускоряющий электрод ИОС. Проведенное моделирование и эксперимент позволили устранить проблему размещением на эмиссионном электроде в ускоряющем промежутке фокусирующего кольцевого электрода высотой ~ 5,5 мм.

Результатом модернизации ИОС, доработки разрядной системы и конструкции экспериментального источника ионов «Пульсар» с разрядной системой типа «обращенный магнетрон»3 стала разработка источника импульсно-периодического/непрерывного широкого пучка газовых ионов (10 - 50 кэВ), который обеспечивает средний ток пучка до 200 мА, время непрерывной работы до 8 часов. Доработки позволили использовать источники в промышленных технологиях осаждения ионно-плазменных защитных и упрочняющих покрытий на установках ННВ6.6-И1 в ОАО «УЗГА» (Екатеринбург) и МАП-3 в ФГУП «ВИАМ» (Москва).

Результатом исследования тлеющего разряда в разрядной системе с широкоапертурными полым катодом и анодом в аксиальном магнитном поле (рис. 3) и исследования условий формирования низкоэнергетичных ионных пучков стала разработка источника широкого слаборасходящегося

5 Kaufman H.R., Cuomo J.J., Harper J.M.E. Technology and applications of broad beam ion sources used in sputtering. Part 1. Ion source technology // J. Vac. Sei. Technol. - 1982. -V. 21.-No. 3.-P. 725 - 736.

пучка низкоэнергетических ионов. Он обеспечивает генерацию ионного пучка с энергиями от 300 эВ, током до 15- 30 мА при Q(Ar, 02) = 812 см3/мин, р= (0,8 - 1,2)-10"2 Па. Неоднородность пучка с энергиями ионов 300 - 1000 эВ не превышает 10 % на диаметре ~ 8 см. Минимальные значения угла расходимости составляют ~ 6°-8° для пучка ионов с энергиями 750 - 300 эВ. В ионном источнике а~ 3,5 %, а ц ~ 0,068 -0,04 А/кВт. В номинальных режимах работы при токе разряда: Id = 0,8 А и Q ~ 10 см3/мин ресурс подвергаемой интенсивному распылению ионной бомбардировкой защитной молибденовой вставки (Л = 0,2 мм), размещенной внутри цилиндрической поверхности катода, составляет ~130ч при работе на аргоне и -220 часов на кислороде. Источник по своим параметрам не уступает широко распространенным термокатодным источникам типа Кауфмана, но, в отличие от них, может длительно работать в среде химически активного газа (кислорода). Источник поставлен по контракту в Брукхэйвенскую национальную лабораторию (США).

Третья глава посвящена разработке генератора плазмы на основе плазменного катода с сеточной стабилизацией (СПК), который, в отличие от известного2, должен эффективно работать не только при низких, но и при высоких (до ~ 1 Па) давлениях газа. Высокие давления в полом катоде с малой апертурой обеспечивают поддержание самостоятельного тлеющего разряда при малых потоках газа и низких напряжениях (300 -400 В). В области отбора ионов и формирования пучка сохраняется низкое давление (0,1 - 0,005 Па). Для сеток СПК малой площади (~ см2) при высоких плотностях тока (до сотен мА/см2) и малой толщине слоя пространственного заряда (доли мм) стабилизация плазменной границы СПК обеспечивается мелкоструктурными плетеными вольфрамовыми сетками. Высокие давления вблизи сетки (единицы Па) приводят к появлению плотной плазмы вблизи сетки и к высокой плотности ионного тока на сетку. Ионное распыление и нагрев сетки ограничивают ее ресурс (десятки часов).

Решением проблемы является использование сетки СПК большой площади. В этом случае по сравнению с системой СПК с сеткой малого диаметра (~ 0 10 мм)6 плотность электронного тока снижается в ~ 10 - 100 раз, давление газа вблизи сетки СПК - в ~20 - 100 раз и, соответственно, плотность ионного тока в ~ 50 - 1000 раз. Верхняя граница диапазона рабочих давлений СПК с сеткой большого диаметра повышается почти на порядок величины до ~ 0,1 - 0,4 Па.

Повышение площади сетки СПК достигнуто расширением анодной части (РАЧ) в электродной системе (рис. 6) с контрагирующим тлеющий разряд отверстием (~ 05 - 20 мм) в полом катоде. В двухступенчатой разрядной системе с СПК РАЧ сохраняются оптимальные условия как для

6 Гаврплов Н.В., Каменецких A.C. Источник ионов газов с сетчатым плазменным катодом И ПТЭ. - 2005, - №1, - С. 107 - 111.

формирования эмитирующей ионы однородной плазмы (низкие давления -десятые и сотые доли Паскаля, пониженное содержание продуктов распыления катода); так и для генерации быстрых электронов (повышенное давление в полом катоде - Паскали, слабая зависимость

отбираемых электронов). Снижение плотности тока и давления приводят к росту толщины ионного слоя до нескольких мм, что позволяет применить СПК большой площади с электродами, перфорированными отверстиями разного диаметра и/или с разной длиной канала (02 - 06 мм, й= 1-6 мм). Ресурс таких сеток СПК (~ 103 ч), ограниченный ионным распылением, на ~ 2 порядка превышает ресурс плетеных мелкоструктурных сеток.

Эффективность извлечения

электронов из плазмы

самостоятельного разряда «= /¡/// (отношение тока эмиссии электронов 1е к току разряда //) возрастает с ростом р, достигает насыщения (а-1,3 для толстой и а ~ 1,1 для тонкой сетки) и практически не зависит от тока разряда. Чем меньше толщина сетки, тем при меньших давлениях а достигает максимальных значений.

Среднее число ионов и, генерируемых в расчете на один быстрый электрон, инжектированный в плазму, п = 1,11е = 11/а11 (/- ток ионов) достигает 4-5 ион/е" при ускоряющих электроны напряжениях и2 = 200 -300 В. Зависимости среднего числа ионов п от р, или и2 имеют нелинейный характер с выраженным максимумом. При низких давлениях и мало из-за ухода части быстрых электронов на анод до ионизации ими газа. После прохождения максимума и уменьшается с ростом давления, тока самостоятельного разряда 7/ или напряжения несамостоятельного разряда и2, из-за снижения разности потенциалов на двойном слое пространственного заряда в отверстиях сетки СПК и уменьшения энергии электронов. Причиной снижения служит рост потенциала эмитирующей электроны плазмы самостоятельного разряда связанный с увеличением в нее встречного ионного потока.

При отрицательном потенциале плазмы относительно анода и сетки СПК а равна прозрачности сетки, которая обычно не превышает ~ 60-80%. Однако в рассматриваемых разрядных системах с большой площадью анода и сетки Ба/Бс»(т/М)1/2, плазма приобретает положительный потенциал относительно анода. Электроны извлекаются через анодный

характеристик разряда от доли

катод, 2 - РАЧ, 3 - составная сетка СПК, 4 - полый анод 2-й ступени, 5 -коллектор, 6- 12 рядов постоянных магнитов; 9, 11 - ленгмюровский и 10-плоскнй зонды.

слой ускоряющим напряжением, приложение которого в осевой части эмиссионных отверстий приводит к повышению потенциала, а потом к снятию потенциального барьера, разрыву ионного слоя и эмиссии электронного тока насыщения с открытой плазменной поверхности. Ток в цепи анода становится ионным, а ток электронов на анод практически отсутствует. Если увеличение эмиссионного тока и уменьшение толщины слоя при сдвиге плазменной границы не компенсируются ростом разности потенциалов между плазмами и площадь эмиссионной поверхности возрастает, то сетка СПК перестает выполнять свою стабилизирующую роль.

Анализ уравнения баланса токов, связывающего ток разряда с плотностями ионного и электронного тока, показал, что стабилизация границы плазмы СПК при высокой эффективности извлечения электронов (~ 1) обеспечивается, если толщина ионного слоя и размер апертур сетки изменяются согласованно. С увеличением диаметра отверстий сетки необходимо повышать толщину ионного слоя И в отверстиях сетки, в этом случае эффективность а = 1 достигается при более низких давлениях, или меньшем обратном ионном токе. С увеличением длины канала в отверстиях сетки, которое сопровождается смещением плазменной границы и ростом тока ионов на стенку отверстий, ионный поток в плазму СПК и/или рабочее давление могут быть увеличены.

В двухступенчатых системах энергетическую эффективность генерации ионов в плазме можно оценить по мощности, вкладываемой в первую //С/, и вторую 1аи2 ступени разряда п =+ 1,и2). В разрядной

системе с СПК и РАЧ максимальная энергетическая эффективность т] ~ 2,5 А/кВт, что превышает энергетическую эффективность генерации ионов в самостоятельном тлеющем разряде с полым катодом (= ~ 0,2 А/кВт). Причиной низкой энергетической эффективности самостоятельного тлеющего разряда низкого давления является высокая доля энергии диу-у (д - заряд иона), уносимая из разряда ионами, обеспечивающими эмиссию одного электрона с холодного катода, обусловленная высоким напряжением горения и^ (~500 - 1000 В) и низким коэффициентом ион-электронной эмиссии у~ 0,1. Если выразить 77 через параметры п и а, то более удобной для анализа оказывается обратная величина энергетической эффективности - цена иона е: е =е(£/,/(ал) + (1/п + 1)с/,), которая включает три компонента (рис.7): удельную долю затрат энергии самостоятельного разряда на поддержание эмиссии СПК в расчете на один ион е[/,/(сш), удельную долю затрат энергии в несамостоятельном разряде на создание одного иона еи2/п и энергию, уносимую из разряда ионом е£/,.

Ч= (Uj(aii)+(l+n)ljJni

50 80 110 140 170 200 230 и2, в Рис. 7. Вклад в цену иона е затрат энергии в самостоятельном и несамостоятельном разряде, и зависимость энергетической

эффективности ц от ускоряющего напряжешь и2. Р=0,09 Па.

Величина еС/,/(ош)

значительно снижается с ростом тока разряда, давления и ускоряющего ионы напряжения. еС/2/л - с ростом энергии ионов быстро достигает насыщения, а еС/, с ростом напряжения линейно возрастает. Такой характер

анод магниты

Рис. 8. Схемы электродных систем. А -линейные полюса ММП и цилиндрический полый анод; В - кольцевые полюса ММП и квазиконический полый анод. 1 - сетка СПК, 2 - катод первой ступени разряда, 2Ь - магниты; 3 — входная апертура полого анода, 4 - коллектор ионов (катод №2), 5 -ММП, 6- анод. Диаметр СПК Dg = 10, 20, 30 мм, ячейка сетки 0,6*0,6 мм, D = 180 мм, d = 110 мм. Л = 100 мм, Н = 160 мм. Магниты (КС25Д, Тс=250°С): А -12 рядов, В - 4 или 5 кольцевых полюсов Р5-Р1 с внутренними диаметрами от 100 до 180 мм.

изменения составляющих

обусловливает немонотонную зависимость энергетической цены иона е от величины напряжения на двойном слое. В результате, максимум t] в плазме достигается в диапазоне ускоряющих электроны напряжений U2 ~ 150 -250 В при максимальных а и максимальной разности потенциалов на двойном слое пространственного зарядка в отверстиях сетки СПК.

Если оценивать 17 без учета затрат энергии на ускорение уходящих на стенки разрядной системы ионов eU2, то в системе с СПК РАЧ она составит около ri — (с/,/(сх«) + (с/2 /» )) '- 3,5 А/кВт при токе до нескольких ампер. С ростом тока разряда она может достигать 7 А/кВт, что свидетельствует о возможности создавать источники ионов на основе несамостоятельного разряда, отличающиеся высокой электрической экономичностью. Максимальные значения ц ~ /(~ па слабо зависят от размера отверстий в сетках СПК, поскольку, как правило, в режимах с максимальной эффективностью при уменьшении толщины сетки СПК растет а, но снижается п. Размеры отверстий сетки СПК определяют диапазон давлений, при которых ионный ток из плазмы и энергетическая эффективность генерации ионов максимальны.

Четвертая глава посвящена исследованию несамостоятельного

разряда с СПК РАЧ на основе тлеющего разряда и разработке на его основе источников широких низкоэнергетических ионных пучков (0,5 - 5 кэВ) и ленточных пучков с энергией ионов до 40 кэВ.

В разрядной системе с полым анодом, экранированным многополюсным магнитным полем (ММП), исследовано влияние конфигурации ММП: линейной, с цилиндрическим анодом (рис. 8а), и кольцевой, с анодом квазиконической формы - на характеристики несамостоятельного разряда с СПК (рис. 8).

В системе ММП с линейными полюсами электроны вводятся в цилиндрическую область разряда диаметром ~ 60 мм, в которой поле практически отсутствует, и осциллируют между катодами. В системе с кольцевыми полюсами параллельная оси компонента пристеночного магнитного поля меняет направление после каждого полюса. В области вблизи торцов полого анода магнитное поле, создаваемое крайними кольцевыми полюсами, не скомпенсировано и составляет на оси ~ б -10 мТл. Быстрые электроны поступают в разряд вдоль линий магнитного поля (рис. 86) и перемещаются к ближайшему полюсу магнитной системы, совершая одновременно вращение в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, под действием силы Лоренца.

В системе с кольцевым ММП и квазиконическим анодом повышение числа генерируемых ионов связано с уменьшением эффективной площади анода и длины магнитных полюсов, что обеспечивает снижение потерь быстрых электронов и повышение плотности плазмы. Увеличение отношения площади эмиссии |Уе к площади поверхности плазмы 5, как в случае применения конического катода (глава 2) приводит к повышению тока ионов на коллектор в ~ 1,5 - 1,7 раза по сравнению с током в

цилиндрической системе с линейными полюсами. Проникновение

некомпенсированного магнитного поля в область полого катода СПК снижает напряжение горения самостоятельного разряда, что способствует повышению

энергетической эффективности

генерации ионов. Такая система с увеличением объема плазмы и площади эмиссионной поверхности потенциально способна обеспечить повышение числа генерируемых ионов в 2 - 3 раза и высокую энергетическую эффективность (рис. 9). Недостаток системы: движение быстрых электронов вдоль линий магнитного поля к ближайшему полюсу приводит к локализации

•s 1.2 -3 ti

ое

—.-1—-ї-1-.-г-

0 0.04 0.08 0.12 р. пэ

Рис. 9. Зависимость мощности, потребляемой в первой (1) и во второй (2) ступенях разряда, а также энергетической эффективности 7 от давления аргона. К - кольцевой, JI-линейный мультиполь. Диаметр апертуры СПК Dg = 30 мм. //= 0,6 А, U2= 150 В.

плазмы вблизи сетки СПК, повышению плотности тока на сетку СПК в 2 - 3 раза и пропорциональному снижению ее ресурса. Увеличение диаметра сетки повышает отбор быстрых электронов на ближайший кольцевой полюс ММП, что приводит к снижению в несколько раз п и ^.Достоинством системы с цилиндрическим анодом, экранированным линейным ММП, является генерация однородной плазмы во всем объеме, свободном от Рис. 10. Конструкция ионного источника магнитного поля. В такой системе 1- полый катод, 2 - сетка СПК, 3 - диаметр сетки СПК может быть полый анод, 4- система линейного увеличен до размера зоны, свободной мультиполя, 5 - экранный ускоряющий и от магнитного поля что позволяет замедляющий электроды ИОС. ^

расширить диапазон рабочих

давлений (глава 3) и повысить ресурс в ~ 3 раза. Поэтому система с линейным ММП представляется предпочтительной для применения в ионных источниках.

На основе несамостоятельного отражательного разряда разработан технологический источник низкоэнергетичного ионного пучка (рис. 10). Полый анод источника экранирован ММП с линейными полюсами. Анодом самостоятельного разряда служит несущий СПК электрод перфорированный на площади ~ 80 см2 отверстиями 03-4 мм и толщиной несколько мм с прозрачностью -66%. Экранировка анода периферийным магнитным полем обеспечивает получение плазменного эмиттера с малой неоднородностью (~ 3 - 5%) в области, свободной от магнитного поля. Трехэлектродная система формирования ионного пучка, прототип которой описан в главе 2, содержит молибденовые электроды толщиной 0,5 мм с 540 отверстиями диаметром 3 мм в каждом.

Источник генерирует широкие (80 см2) пучки ионов газов (Аг, N2, 02 и др.) с энергией 0,5 - 4 кэВ и током до 200 мА в диапазоне давлений 0,010,1 Па. Ресурс сетки СПК составляет ~ 103 ч. Энергетическая эффективность источника достигает ~ 0,6 А/кВт. Источник по своим характеристикам конкурентоспособен с источниками типа Кауфмана и обладает существенно большим ресурсом при работе с химически активными газами. Исследованы характеристики несамостоятельного разряда в системе с СПК, в котором используется электростатическое удержание быстрых электронов, инжектируемых вдоль оси протяженного полого катода (плазменной камеры) диаметром 150 мм длиной 0,5 - 0,8 м (рис. 11). Стержневой анод регулируемой длины установлен на противоположном от сетки торце камеры. В эмиссионном окне с размерами в = 600 х 100 мм2 устанавливалась мелкоструктурная сетка

Рис. 11. Схема разрядной системы: 1-катод, 2- сетка СПК, 3- коническая вставка, 5- плазменная камера, 6- анод, 7- эмиссионное окно, 8- ленгмюровский зонд, 9- коллектор.

(1 х 1 мм ). Диапазон давлений газа (Ar, N2) в камере - 0,01 - 0,1 Па. Ускоряющее электроны напряжение U2 = 50 - 300 В.

Основные факторы, влияющие на неоднородность (рис. 12 - 13):

1) Давление — снижение давления обеспечивает рост длины

ионизационного пробега электронов А, и ограничено минимальным потоком газа, при котором поддерживается самостоятельный разряд. 2) Перепад давления вдоль оси протяженной разрядной системы, уменьшается распределением потока газа в разрядной системе - плотность плазмы прямо пропорциональна плотности газа. Разделение поступающего в систему газа на несколько потоков ограничено величиной Qrnirn при котором функционирует самостоятельный тлеющий разряд в СПК. 3) Инжекция быстрых электронов с противоположных сторон разрядной системы обеспечивает получение симметричного распределения в результате суперпозиции плотностей плазмы, создаваемых каждым потоком электронов. 4) Энергия быстрых электронов - с повышением энергии число ионизаций, которые может совершить быстрый электрон до термализации, а, следовательно, и максимальное расстояние от плазменного катода, проходимое быстрыми электронами увеличивается. Учет перечисленных факторов позволил получить плазменный эмиттер ионов с неоднородностью, не превышающей 5% на длине ~ 0,8 м.

Оптимальное отношение площади анода Sa и катода Sc, при котором в несамостоятельном разряде падение напряжения на анодном слое отрицательного пространственного заряда минимально:

^/■s,c=(2m/^)"2(/./^) = (2»i/W)"2(l+l/n), где Ic ~ Ih - ток ионов на катод несамостоятельного разряда. Из соотношения следует, что с уменьшением отношения тока вторичных электронов к току инжектируемых электронов, поступающих на анод, требуется увеличивать площадь анода.

На основе двухступенчатого разряда с инжекцией электронов в протяженную электростатическую ловушку разработан технологический источник ленточного пучка газовых ионов (10 - 40 кэВ) с поперечным сечением j = (50 - 100) х (500 - 800) мм2. Ионный пучок формируется двухэлектродной многощелевой ИОС с прозрачностью 0,8. Неоднородность распределения плотности тока вдоль длинной оси сечения

т

1

700

пучка (рис. 14) в оптимальных режимах формирования составляет ±10% при р = (2,5-5)-10"2 Па. Источник работает в импульсно-периодическом (0,5мс, 500 Гц) или непрерывном режимах. Средний ток в цепи ускоряющего ионы источника питания - 200 мА (-0,15 мА/см2) при среднем токе несамостоятельного разряда - 1-2 А, а импульсный ток -- 2-3 А (~ 1 мА/см2) при токе разряда 10-15 А. Энергетическая

эффективность источника rji пропорциональна величине

эффективности генерации ионов в плазме и отношению тока пучка /, к току ионов на катод 1ДС — s/Sc. В разработанном источнике 1/1с~ 0,1 -0,15 и rji ~ 0,2-0,3 А/кВт. Ток ионов на водоохлаждаемый коллектор оценивался калориметрическим методом. С ростом энергии ионов от 20 - 22 до 40 кэВ отношение тока в цепи источника питания к току ионов на коллектор возрастает от -1,1 до ~2. Причиной увеличения потока заряженных частиц на электроды источника ионизация ионным ударом остаточного газа в ускоряющем

промежутке ИОС. Уменьшение в соответствии с «законом «3/2» длины ускоряющего промежутка при использовании ИП режима снижает потери мощности в -1,3-1,5 раза.

I 1 I 1 I 1 I

О 100 200 300 400 500 600 £, ст

Рис. 12. Распределение плотности тока насыщения ионов из плазмы. 1, 3, 5 -и2= 200 В, 2, 4, 6- £/2=~350В, 1, 2 -0,04 Па, 3, 4 - 0,2 Па, 5, 6 - 0,5 Па. 1, 3, 5 - напуск с 2 сторон, 2, 4, 6 - напуск со стороны катода. 1

0.95

0.85 -

200

400 L, мм

600

Рис. 13. Распределения плотности тока является нонов Прц различных способах подачи газа. Давление Р~ 0,04 Па.

источник «Технопарке AT»

0.2

i I

I -!

l/£L

АД.

40 еВ 200 мА

¡

Ленточный используется в (Уфа).

В заключении диссертации приведены основные результаты, полученные при ее выполнении, подтверждены достоверность и обоснованность результатов работы, приведены публикации по теме диссертации и отмечен личный вклад автора.

В приложении представлены документы, подтверждающие использование ионных источников на предприятиях.

О 100 200 300 <100 600 600 Í. ->''

Рнс. 14. Продольное распределение плотности тока ионного пучка. Р= 0,04 Па. Ar.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были получены следующие основные результаты:

1. В электродной системе типа обращенный магнетрон при использовании полого катода конической формы в плазме самостоятельного тлеющего разряда сохраняются условия для замкнутого дрейфа осциллирующих в магнитном поле быстрых электронов, что обеспечивает однородность плазменного эмиттера. Следствием увеличения отношения площади эмиссии к площади катода, по сравнению с катодом цилиндрической формы, является рост отношения тока пучка к току разряда в ~ 2 - 3 раза. Цена иона в пучке снижается в ~ 1,5. - 2 раза, несмотря на рост напряжения разряда, связанный с уменьшением объема разрядной системы и повышением доли отбираемых ионов.

2. Предложена оригинальная разрядная система с широкоапертурными полым катодом и полым анодом, помещенными в аксиальное магнитное поле, которая сочетает признаки пеннинговской, плазматронной и разрядной системы с полым катодом. Применение сильного магнитного поля (до 40 мТл) позволяет устойчиво поддерживать тлеющий разряд при низких давлениях газа (~ 0,01 Па). Плазма в анодной области разряда формирует однородный широкий плазменный эмиттер с неоднородностью не более 5-10%. Слабое влияние потенциала экранного электрода на параметры разряда позволяет управлять эффективностью извлечения и угловой расходимостью низкоэнергетичного ионного пучка.

3. Показано, что катодный слой, существующий между плазмой и эмиссионным электродом, характеризующийся значительной толщиной (до 5 мм) и падением напряжения (порядка напряжения горения разряда), оказывает существенное влияние на формирование пучка в источниках на основе самостоятельного тлеющего разряда. При низких энергиях ионов (менее 1000 эВ) и отборе ионов через катодный слой эффективность извлечения ионов не превышает 2 - 3 % из-за неоптимальной конфигурации эмитирующей плазменной поверхности в отверстиях ионной оптики, однако отсечка ионов пучка с большими радиальными составляющими скорости на электродах оптики может быть использована для снижения угловой расходимости пучка до 3 - 6°. Плавающий потенциал экранного электрода (падение потенциала на ионном слое пространственного заряда ~ 30 В) используется при формировании низкоэнергетического пучка (~ 300 - 500 эВ) с максимальной эффективностью извлечения (до 4 %). Угловая расходимость такого пучка составляет 6 - 8°.

4. Наличие катодного слоя не оказывает значительного влияния на формирование широкого пучка ионов с энергией 20 - 50 кэВ, поскольку напряженность поля в ускоряющем промежутке на 1 - 2 порядка величины превышает напряженность поля в катодном слое, влияние которого на конфигурацию плазменного мениска в отверстиях ионной оптики оказывается минимальным.

5. Расширение анодной части разрядной системы СПК позволяет увеличить площадь сетки СПК, повысить рабочее давление до — 0,3 -0,5 Па и использовать в качестве сетки перфорированные отверстиями 0 2 - 5 мм крупноструктурные электроды толщиной ~ 1 — 6 мм. Выбор размеров отверстий определяет условия стабилизации плазменного катода и диапазон давлений, в котором эффективность извлечения электронов ~ 100% и их энергия максимальна. Ресурс крупноструктурного электрода СПК на ~ 2 порядка больше (~ 103 ч), чем для плетеной мелкоструктурной сетки.

6. Энергетическая эффективность генерации ионов в плазме несамостоятельного разряда зависит от эффективности извлечения электронов и их энергии. Максимальная эффективность r\ ~ 2,5 А/кВт достигается, если плазменный катод работает в режиме эмиссии с открытой плазменной поверхности, в несамостоятельном разряде падение напряжения на анодном слое пространственного заряда минимально, рост потенциала эмитирующей электроны плазмы ограничен и обеспечивается высокая степень релаксации энергии электронов в плазме несамостоятельного разряда. Последнее условие выполняется в диапазоне ускоряющих электроны напряжений ~ 150 - 250 эВ. Цена иона в несамостоятельном разряде в 2 - 5 раз ниже, чем в самостоятельном разряде, поскольку отбор ионов из плазмы самостоятельного разряда приводит к росту напряжения, а низкие давления газа в катодной полости ведут как к росту напряжения, так и росту затрат энергии на генерацию одного электрона.

7. На основе несамостоятельного разряда с плазменным катодом разработаны и исследованы газоразрядные системы для источников широкого (до 100 см2) низкоэнергетического (0,8 - 3 кэВ) пучка и ленточного пучка (до 0,8 м) ионов средних энергий (до 50 кэВ). Снижение неоднородности протяженного плазменного эмиттера до 10 % на длине до 0,8 м достигнуто двухсторонней инжекцией электронов в разряд в соосном оси протяженного полого катода направлении и увеличением длины ионизационного пробега электронов свыше длины разрядной камеры уменьшением давления в ее объеме.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гаврилов Н.В. Источник слаборасходящихся низкоэнергетичных пучков большого сечения / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Кулешов C.B., Радковский Г.В. Н 2-я международная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах», - 2000, Tomsk, Russia. - С. 157 - 159.

2. .Gavrilov N.V. A glow-discharge-based source of low-energy low-divergent broad ion beams / Gavrilov N.V., Emiin D.R., Kuleshov S.V. H 5-я конференция по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы. - 2000, Tomsk, Russia. - С. 168 - 173.

3. Gavrilov N.V. A source of ribbon ion beams based on a glow

discharge with closed drift of electrons / Gavrilov N.V., Emlin D.R. // 4 International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams (MPSL), - 2001, Ukraine,

- P. 30.

4. Gavrilov N.V. Gas ion beam source for combined ion mixing/ coating deposition technologies / Gavrilov N.V., Emlin D.R. // 4 International Conference on Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams (MPSL), - 2001, Ukraine, -P.31.

5. Гаврилов H.B. Источник ленточного пучка газовых ионов на основе тлеющего разряда с замкнутым дрейфом электронов/ Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Каменецких А.С. // 6th international conference of modification of materials with particle beams and plasma flows. - 2002. Tomsk, Russia. - C. 100 - 103.

6. Гаврилов H.B. Источник широких пучков ионов газов для использования в установке ионно- плазменного нанесения покрытий / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р. // 6th international conference of modification of materials with particle beams and plasma flows, - 2002. Tomsk, Russia. - C. 104

- 107.

7. Гаврилов H.B. Повышение эффективности ионного эмиттера на основе тлеющего разряда с осциллирующими электронами, 6th international conference of modification of materials with particle beams and plasma flows / Гаврилов H.B., Емлин Д.Р. // 6th international conference of modification of materials with particle beams and plasma flows. - 2002. Tomsk, Russia. - C. 488 -491.

8. Гаврилов H.B. Использование ионно-лучевого ассистирования в технологии нанесения высокотвердых износостойких покрытий ионно — плазменным методом / Гаврилов Н.В., Буреев О.А., Емлин Д.Р. // Урало-сибирская научно - практическая конференция. - 2003, Екатеринбург, Россия.-С. 82-83.

9. Gavrilov N.V. Source of ribbon ion beams with coarse-structure gridded plasma cathode / Gavrilov N.V., Bureyev O.A., Emlin D.R., Kamenetskikh A.S., Menshakov A.I. // 9th international conference on modification of materials with particle beams and plasma flows, - 2008, Tomsk, Russia,-P. 7- 10.

10. Gavrilov N.V. Effect of anode dimensions on Characteristics of Non-self sustained hollow cathode discharge / Gavrilov N.V., Bureyev O.A. Emlin D.R., Kamenetskikh A.S. // 9th international conference on modification of materials with particle beams and plasma flows. - 2008, Tomsk, Russia. -P. 175 - 178.

11. Гаврилов H.B. Источник ленточного пучка ионов газов/ Гаврилов Н.В., Буреев О.А., Емлин Д.Р., Каменецких А.С., Меньшаков А.И. // III Международный семинар «Плазменная эмиссионная электроника», - 2009. Улан-Удэ, Россия, Изд-во БНЦ, - С. 92 - 99.

12. Гаврилов Н.В. Источник ленточных пучков ионов газов для

модификации рулонных материалов / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Меньшаков А.И. // «Люльевские чтения»: 7 научно — практическая конференция ОАО «ОКБ Новатор». - 2010, Челябинск. Изд. Центр ЮУрГУ, - 2010. - С. 80.

13. Emlin D.R. Scaling of DLC chemical vapor deposition method with the use of the plasma cathode / Emlin D.R., Plotnikov S. A., Gavrilov N. V., Trachtenberg I. S., Khatmullin I.G. // 3rd International Congress on Radiation Physics, High-Current Electronics and Modification of Materials. - 2012. Tomsk, Russia, - C. 303.

14. Емлин Д.Р. Свойства TiC/a-C:H покрытий, осаждаемых из плазмы дугового разряда с титановым катодом в смеси (С2Н2+А1-), ионизуемой электронным пучком / Емлин Д.Р., Меньшаков А.И. // 11-я Международная конференция «Пленки и покрытия-2013» / Под ред. В. Г. Кузнецова. СПб: Изд-во Политехнического ун-та, - 2013. - С. 167-169.

15. Гаврилов Н.В. Efficiency of ion generation and ion extraction in an ion source with a gridded plasmas cathode and a magnetic multipole / Гаврилов H.B., Емлин Д.Р. Каменецких А.С. // Изв. вузов, Физика. - 2006. -№8. Приложение. - С. 88 - 91.

16. Гаврилов Н.В. Формирование ленточного эмиттера ионов в импульсном разряде с плазменным катодом / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Каменецких А.С., Меньшаков А.И. // Изв. вузов. Физика. - 2009. - №11/2. -С. 85-90.

17. Гаврилов Н.В. A source of extended (1.4 m) ribbon ion beams with a grid-bounded plasma cathode / Гаврилов H.B., Буреев O.A., Емлин Д.Р. // Изв. вузов. Физика. - 2006,- №8. Приложение. - С. 92 - 95.

18. Gavrilov N.V. Research of the plasma cathode with a coarse-cellular grid / Gavrilov N.V., Emlin D.R., Kamenetskikh A.S. // Изв. вузов. Физика. - 2007. - №9. Приложение. - С. 30 - 34.

19. Гаврилов Н.В. Стабилизация сеточно-плазменного катода в широком диапазоне давлений газа / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Каменецких А.С. // Известия Вузов. Физика. - 2007. - Т. 50, - № 10/2. -С. 154- 160.

20. Гаврилов Н.В. Ионный источник с крупноструктурным сеточно-плазменным катодом / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Каменецких А.С. Известия Вузов. Физика. - 2007. -Т. 50. - № Ю/2. - С. 149 -153.

21. Гаврилов Н.В. Генерация однородной плазмы в тлеющем разряде с полым анодом и широкоапертурным полым катодом / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Никулин С.П. // Письма в ЖТФ, - 1999. - Т. 25, -№ 12, - С. 83 - 88.

22. Гаврилов Н.В. Формирование пучков ионов, извлекаемых из плазмы тлеющего разряда / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р. // ЖТФ. - 2000,-Т.70.-В. 5,- С. 74-81.

23. Гаврилов Н.В. Источник широких однородных пучков низкоэнергетичных (~ 0,5 кэВ) газовых ионов / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р.,

Радковский Г.В. // ПТЭ. - 2000. - №2, С. 113 - 118.

24. Gavrilov N.V. A cold-cathode source of low-energy low-divergent broad ion beams /Gavrilov N.V., Emlin D.R., Kuleshov S.V. // Rev. of Sci. Instmrn. - 2000. - V. 71, - No. 10. - P. 3662 - 3667.

25. Гаврилов H.B. Использование тлеющего разряда в магнитном поле для получения широких ионных пучков технологического применения / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Никулин С.П. // Известия By Зов. Физика. - 2001.-№ 9. - С. 48 - 56.

26. Гаврилов Н.В. Источник ленточного пучка газовых ионов с широкоапертурным холодным полым катодом / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Каменецких А.С. // ПТЭ. - 2003. - № 1, - С. 93 - 98.

27. Гаврилов Н.В. Повышение эффективности ионного эмиттера на основе тлеющего разряда с осциллирующими электронами / Гаврилов Н.В. Емлин Д.Р. // ЖТФ. - 2003. - Т. 73. - В. 9, - С. 107-112.

28. Gavrilov N.V. Cold-cathode source of ribbon gaseous ion beams / Gavrilov N.V., Emlin D.R. // Rev. Sci. Instrum. - 2004. - V. 65, - No. 5, -P. 1872- 1874.

29. Гаврилов Н.В. Плазменный катод электронного ускорителя с большим сечением пучка / Гаврилов Н.В., Осипов В.В., Буреев О.А., Емлин Д.Р., Каменецких А.С., Шитов В.А. // Письма в ЖТФ, - 2005. - Т. 31. - В. 3, -С. 72 - 78.

30. Гаврилов Н.В. Высокоэффективная эмиссия плазменного катода с сеточной стабилизацией / Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Каменецких А.С. // ЖТФ. - 2008. Т. 78. - №10, - С. 59 - 64.

31. Емлин Д.Р. Источник ленточных пучков ионов газов для модификации рулонных материалов / Емлин Д.Р., Меньшаков А.И. // Вестник ЮУрГУ, серия "Машиностроение". - 2012. - №33 (292), - С. BIBS.

32. Gavrilov N. V. Scaling of DLC Chemical Vapor Deposition Method with the Use of the Plasma Cathode / Gavrilov N. V., Emlin D.R., Plotnikov S. A. // Изв. Вузов. Физика. - 2012. - №12/2. - С. 66 - 70.

33. Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Никулин С.П. Плазменный эмиттер ионов: Пат. РФ №2150156 от 27.05.2000. Патентообладатель ИЭФ УрО РАН.

34. Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р. Плазменный эмиттер ионов: Пат. РФ №2229754 от 27.05.2004. Патентообладатель ИЭФ УрО РАН.

35. Гаврилов Н-В-, Буреев О.А., Емлин Д.Р. Ленточный плазменный эмиттер ионов: Патент РФ №2294578 от 14.07.2005. Патентообладатель ИЭФ УрО РАН.

36. Гаврилов Н.В., Буреев О.А., Емлин Д.Р. Источник широкоапертурных ионных пучков: Пат. РФ №2370848 от 26.03.2008. Патентообладатель ИЭФ УрО РАН.

37. Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р. Ленточный плазменный эмиттер ионов: Пат. РФ №2221307 от 10.01.2004. Патентообладатель ИЭФ УрО РАН.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОФИЗИКИ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ

АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201451145

Емлин Даниил Рафаилович

ИСТОЧНИКИ ШИРОКИХ ПУЧКОВ ИОНОВ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: член - корреспондент РАН доктор технических наук Гаврилов Николай Васильевич

Екатеринбург-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Проблемы разработки источников широких пучков ионов газов для технологических применений 12

1.1. Создание однородного плазменного газоразрядного эмиттера ионов с большой площадью поверхности 15

1.2. Влияние эмиссии ионов на условия существования самостоятельного тлеющего разряда 19

1.3. Повышение энергетической эффективности генерации ионов в плазме несамостоятельного разряда 22

1.4. Формирование широких ионных пучков многоапертурными ионно-оптическими системами 24

1.5. Выводы по главе 29 Глава 2. Ионные источники на основе самостоятельного тлеющего разряда 31

2.1. Разряд в электродной системе типа обращенный магнетрон в слабом магнитном поле 31

2.2. Разрядная система с широкоапертурным полым катодом и полым анодом 41

2.3. Влияние потенциала экранного электрода на формирование ионного пучка 50

2.4. Источник низкоэнергетичных ионных пучков с широкоапертурным полым катодом и полым анодом в магнитном поле 67

2.5. Выводы по главе 71 Глава 3. Генерация плазмы в несамостоятельном разряде с плазменным катодом 74

3.1. Особенности применения несамостоятельного разряда с плазменным катодом для генерации больших объемов однородной плазмы 74

3.2. Плазменный катод на основе тлеющего разряда с расширенной анодной частью

77

3.3. Применение крупноструктурных сеток в плазменном катоде на основе разряда с расширенной анодной частью 82

3.4. Условие стабилизации плазменного катода 91

3.5. Эффективность двухступенчатого ионного источника 94

3.6. Выводы по главе 99 Глава 4. Ионные источники на основе несамостоятельного разряда с плазменным катодом

4.1. Применение многополюсной магнитной системы для повышения однородности

плазмы в разряде с сеточным плазменным катодом 102

4.2. Влияние конфигурации системы экранирующего многополюсного магнитного поля на характеристики генератора плазмы 104

4.3. Низкоэнергетический ионный источник с анодом, экранированным многополюсным магнитным полем 115

4.4. Применение электростатической ловушки во второй ступени разряда для создания плазменного эмиттера значительной протяженности 121

4.5. Источник ленточного пучка 129

4.6. Выводы по главе 142 Заключение 143 Список литературы 149 Приложение 1. 163 Приложение 2. Список публикаций по теме диссертации 165

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для изменения свойств и характеристик поверхности материалов и изделий широко используется воздействие высокоэнергетичных потоков ионов, электронов, плазмы, лазерного излучения и т.д. [1]. В результате использования технологий ионной имплантации или ионно-ассистируемого нанесения покрытий открываются широкие возможности создания соединений и сплавов методом, изменяющим параметры и функциональные свойства поверхности, как правило, без изменения объемных свойств материалов [1, 2, 3]. К достоинствам метода относят возможность формирования пучков ионов практически любых материалов, независимость состава от растворимости компонентов, возможность легирования при низких температурах и отсутствие прямой связи результатов легирования с диффузионными процессами; сохранение исходных размеров изделий, возможность управления энергией ионов в широких пределах, глубиной воздействия и формой легированного профиля и т.д. Пучки ионов низких энергий (менее нескольких кэВ) применяются для чистки, полировки, травления поверхности, для нанесения покрытий ионным распылением мишеней, синтезом пленок из пучков ионов т.п. [1, 5, 4, 6, 7, 8]. Воздействие пучка ионов с энергией в десятки кэВ позволяет, в частности, легировать поверхностный слой, изменять структурный и фазовый состав, залечивать дефекты кристаллической решетки. [1, 2, 9]. При ассистированном осаждении покрытий пучок ионов термомеханически активирует поверхность, обеспечивает термостимулированное ионное насыщение поверхности, ионно-лучевое перемешивание осаждаемых атомов, изменение структуры покрытия и т. д. [8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Метод позволяет модифицировать металлы, сплавы, диэлектрические материалы, полупроводники как при низких, так и высоких температурах [2, 9].

Толщина модифицированного слоя складывается из двух составляющих - легированного слоя, и слоя модифицированного в результате рассеяния энергии иона, пластических деформаций, образования радиационных дефектов, движения вторичных выбитых атомов, ионно - стимулированной диффузии и т. д. [1, 9]. При энергиях ионов до 50 кэВ проективная длина пробега ионов несколько десятков нанометров. Повышение температуры и радиационно -стимулированная диффузия увеличивают легированный слой до ста нм. Полная толщина слоя с модифицированной структурой, фазовым состоянием, измененными внутренними напряжениями достигает десятков микрон [9]. В некоторых случаях радиационно-динамическое воздействие ионного пучка на метастабильные среды приводит к увеличению глубины модифицированного слоя до единиц миллиметров [9, 17].

При легировании полупроводников и, например, изменении оптических свойств поверхности достаточна доза ионно-лучевой обработки 1015 - 1016 см"2 [1, 2], для модификации

полимерных материалов достаточно дозы 1015- 1017 см" [6, 13], но изменение трибологических, механических, химических и других свойств металлов и сплавов требует обеспечить дозы обработки более 1017 - 1018 см"2 [1, 2, 9].

Переход от лабораторных установок к промышленным устройствам достигается масштабированием разрядных систем и источников ионов для получения пучков большого сечения с высокой плотностью тока, постоянной в сечении пучка. Простое масштабирование приводит к необходимости создавать однородную плазму большого объема, значительно увеличивать затраты энергии на генерацию разряда и решать проблему снижения рабочих давлений. Отдельную проблему представляет создание источников для ионно-лучевого сопровождения процесса нанесения покрытий, способных работать в присутствии плотной металлической плазмы.

Желательно, чтобы технологические источники обладали стабильностью параметров пучка, высоким ресурсом, надежностью, работали с высокой энергетической и газовой экономичностью, отличались простотой конструкции и обслуживания.

В зависимости от целей применения создаются источники, удовлетворяющие специальным требованиям, например: низкие рабочие давления, способность длительное время работать в химически- активной среде, формировать пучок с малой угловой расходимостью, определенным зарядом и знаком заряда ионов и другими параметрами [4]. В зависимости от конкретных требований к источникам приходится решать задачи выбора подходящей разрядной системы, в которой создается эмитирующая плазма, выбора и оптимизации системы формирования ионного пучка и способа его транспортировки.

Большому числу этих требований отвечают источники ионов газов, например, широко распространенные источники с накаливаемыми катодами. Ограниченный срок службы катода при работе в химически активных средах и повышенных давлениях газа сужает сферу их применений.

Альтернативными источниками являются источники с холодным катодом на основе тлеющего разряда. Холодный катод имеет высокий ресурс, способен работать в химически-активных газовых средах и при высоких давлениях [4]. Значительное снижение рабочих давлений (до ~ 0,004 Па) достигнуто применением несамостоятельного разряда с плазменным катодом на основе тлеющего разряда [18], однако, задачи создания генераторов однородной плазмы большого объема, расширения рабочего диапазона давлений (от 0,5 до 0,005 Па), формирования слаборасходящихся широких (более 100 см2) или ленточных пучков 1 м) с

л

плотностями тока (>1 - 10 мА/см ), энергиями ионов от ~ 100 эВ до 50 кэВ и средним током в сотни мА для конкретных применений не являются до конца решенными. Отдельную проблему представляет создание источников для ионно-лучевого сопровождения процесса нанесения

покрытий, способных работать в присутствии плотной металлической плазмы.

Таким образом, тематика работы, направленной на разработку ряда технологических ионных источников широкого ионного пучка с высокими физико-техническими и эксплуатационными характеристиками представляется актуальной. Выполнение такой работы не может быть достигнуто без исследования особенностей формирования ионных пучков заданных параметров, получения однородной плазмы большого объема, без измерения характеристик разряда и плазмы.

Цель работы состояла в разработке технологических источников широких пучков газовых ионов низких (300 - 1000 эВ) и высоких энергий (5 - 50 кэВ) на основе тлеющего разряда с холодным катодом низкого давления. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Исследовать ионно-эмиссионные характеристики плазмы самостоятельного тлеющего разряда с полым катодом и несамостоятельного разряда с плазменным катодом и ловушкой для быстрых электронов.

Разработать на базе тлеющего разряда газоразрядные системы для создания однородного плазменного эмиттера ионов с большой площадью рабочей поверхности (100 - 1000 см ) и линейного эмиттера ионов значительной протяженности (100 см) с плотностью тока насыщения ионов из плазмы ~ нескольких мА/см2.

Исследовать влияние ионного слоя между плазмой и экранным (эмиссионным) электродом системы формирования ионного пучка (ИОС), характеризующегося значительной толщиной (несколько мм) и большим падением потенциала (сотни вольт) на формирование ионного пучка.

Научная новизна работы:

1. В технологическом источнике широкого пучка ионов газа (10 - 50кэВ) на основе самостоятельного тлеющего разряда низкого давления в разрядной системе с полым катодом и стержневым анодом в аксиальном магнитном поле переход от цилиндрического к коническому катоду позволяет сохраняя высокую однородность плазменного эмиттера увеличить ток ионов, извлекаемых из плазмы в ~ 2 раза (I/Id ~0,13 - 0,22; It, Id - токи пучка и разряда). Энергетическая эффективность повышена ~ 1,5 раза. Эффект обусловлен увеличением отношения площади эмиссионной поверхности к полной площади катода и появлением аксиальной составляющей скорости эмитированных катодом электронов в направлении экранного электрода, способствующей локализации плазмы вблизи эмиссионной поверхности. Уменьшение объема разрядной системы и рост доли отбираемых ионов сопровождается повышением рабочих давлений с ~ 0,02 до 0,04 Па и повышением индукции магнитного

поля с ~ 2 до 3 мТл.

2. Показано, что отбор ионов из плазмы самостоятельного тлеющего разряда через толстый катодный слой приводит к уменьшению эффективности извлечения с уменьшением энергии ионов, но позволяет снизить угловую расходимость пучка из-за ухода ионов с большими радиальными скоростями на электроды оптики. Формирование широкого

■у

низкоэнергетического ионного пучка с максимальной плотностью тока (до ~ 1 мА/см) достигается применением электродных систем, в которых разряд стабильно функционирует при плавающем потенциале (~ 30 В) экранного электрода ИОС.

3. Предложена оригинальная разрядная система с полыми широкоапертурным катодом и анодом в аксиальном магнитном поле (10 - 40 мТл), в которой устойчиво функционирует тлеющий самостоятельный разряд с токами до ~ 1 А при низких давлениях газа (~ 0,008 -0,01 Па), характеристики которого не зависят от величины потенциала экранного электрода. Неоднородность плазменного эмиттера ионов, генерируемого в анодной области разряда, не превышает 5 % на диаметре ~ 80 - 100 мм и не зависит от потенциала экранного электрода, что позволяет формировать широкие низкоэнергетические ионные пучки с высокой эффективностью или малой угловой расходимостью.

4. Расширение анодной части (РАЧ) тлеющего разряда позволяет использовать в разрядной системе плазменного катода с сеточной стабилизацией (сеточного плазменного катода) (СПК) сетки большой площади, что обеспечивает понижение давления газа и плотности плазмы в области сетки, чем достигается повышение максимальных рабочих давлений СПК до ~ 0,5 Па. Снижение плотности тока и рост толщины анодного слоя пространственного заряда позволяет применять в качестве сетки СПК перфорированные отверстиями в несколько мм диаметром толстые электроды. Выбором размеров отверстий СПК задается диапазон давлений и плотностей тока, при которых СПК стабильно функционирует при эффективности извлечения ~ 1.

5. Несамостоятельный разряд с СПК и крупноструктурной сеткой реализован в двух типах разрядных систем: электродной системе с удержанием быстрых электронов в электростатической ловушке протяженного полого катода, и в системе с полым анодом, экранированным периферийным многополюсным магнитным полем. Неоднородность эмиссионного тока для создаваемого таким образом плазменного эмиттера не превышает 5 -10 %. Цена иона в источнике на основе несамостоятельного разряда с полым анодом составляет ~ 0,4 - 0,8 кэВ/ион, а с полым катодом — 2 кэВ/ион, что существенно ниже цены иона в источниках на основе самостоятельного тлеющего разряда (-3-6 кэВ/ион). Разрядная система с электростатическим удержанием быстрых электронов использована в источниках ленточных ионных пучков высоких энергий; а система с полым анодом - в источниках

низкоэнергетических ионных пучков..

6. Условиями получения однородного ленточного эмиттера ионов в несамостоятельном разряде в электродной системе с электростатическим удержанием быстрых электронов в протяженном полом катоде длиной L является выравнивание плотности газа в объеме катода, инжекция электронов в соосном оси протяженного полого катода направлении параллельно эмиссионной поверхности и выполнение соотношения Л > L, где Л - длина ионизационного пробега электронов.

Научная и практическая ценность работы заключена в том, что :

1. Выводы, сделанные в результате проведенных исследований, вносят вклад в понимание условий формирования однородного плазменного эмиттера, процессов в плазме тлеющего разряда и уточняют особенности формирования широких ионных пучков с использованием электростатических многоапертурных систем электродов.

2. Основываясь на проведенных исследованиях, разработан ряд технологических ионных источников, не уступающим по своим параметрам мировым аналогам.

3. Полученные результаты могут быть использованы для разработки и конструирования других плазменных устройств и источников ионов для применения в стандартных вакуумных технологических установках и процессах.

Содержание диссертации:

Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение, выполнена на 168 страницах, содержит 72 рисунка и 1 таблицу, а также список литературы включающий 180 наименований.

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, поставлена цель и определены основные задачи исследований, кратко описаны научная новизна и практическая значимость исследований. Кратко изложено содержание диссертационной работы и представлены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер и представляет анализ особенностей разрядных систем и систем формирования пучка источников широких ионных пучков газовых ионов и краткую историю их развития. В главе сформулированы основные проблемы разработки технологических источников: получение однородного плазменного эмиттера ионов большой площади; снижение потока газа и рабочих давлений; создание пучков с малой угловой расходимостью многоапертурной электростатической системой формирования пучка (ИОС); повышение электрической и газовой экономичности источника, повышение ресурса электродов при работе с химически активными газами; повышение надежности и упрощение конструкции разрабатываемых устройств. Сделан вывод, что разработка технологических источников широкого пучка на основе тлеющего разряда с холодным катодом перспективна для решения

отмеченных выше задач, и что на основе такого разряда могут быть созданы источники ионов, обладающие высокими физико-техническими параметрами.

Вторая глава посвящена разработке и модификации разрядных систем на основе самостоятельного тлеющего разряда. Предложены подходы, обеспечивающие повышение энергетической эффективности источников в 2 раза, снижение потока газа до 10 см /мин. Исследованы характерист�