Разряд с тяжелыми ионами в скрещенных полях, его модификации и приложения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

о

'О 5':

институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

ЧУРКИН Игорь Николаевич

РАЗРЯД С ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ

В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ, ЕГО МОДИФИКАЦИИ И ПРИЛОЖЕНИЯ

01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Институте ядерной физики им.Г.И.Будкера Сибирского отделения Российской Академии Наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ВОЛОСОВ Вадим Иванович

-доктор физико-математических наук, профессор, Институт ядерной физики им.Г.И. Будкера СО РАН,

г.Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

БЕЛЬЧЕНКО Юрий Иванович

РЯБЧИКОВ Александр Ильич

Ведущая организация:

-доктор физико-математических наук, Институт ядерной физики им.Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

- доктор физико-математических наук, Научно-исследовательский институт ядерной физики Томского политехнического университета, г.Томск.

-Российский Научный Центр "Курчатовский Институт",

г.Москва

3?

Зашита состоится « ь »199^ года в часов

на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 в Институте ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр.Лаврентьева,! 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан<< £ >> ам/^А^Я 199/г.

Ученый секретарь диссертационного совета, академик

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в ряде стран (США, Япония, Германия, Франция, Россия и др.) ведутся активные исследования в области создания, изучения и применения различных типов разрядов с тяжелыми ионами (М>>1).

Плазменные системы с тяжелыми ионами (плазменные ускорители, ионные инжекторы и т.д.) находят широкое применение в различных областях науки и техники: обработка поверхности материалов с целью улучшения их физико-химических свойств, разделение изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонансного нагрева и т.д..

Разряд с тяжелыми ионами (М>>1) в скрещенных (радиальное электрическое и аксиальное магнитное) полях по сравнению с традиционными плазменными системами имеет ряд особенностей: разряд основан на эффекте самораспыления и реализуется с любым веществом, которое может быть использовано в качестве катода (центральный электрод); квазистационарные токи тяжелых ионов в разряде могут достигать сотен ампер.

Эти особенности разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях позволяют реализовать ряд приложений.

В источнике атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми нонами в скрещенных полях используется возможность ускорения ионов в плазменном объеме. Это снимает ограничение по объемному заряду на величину ионного тока п позволяет создавать интенсивные потоки ускоренных ионов, выходящих из источника в виде быстрых атомов в результате перезарядки в плазменном объеме. Атомарные потоки открывают новые возможности в области имплантации: высокая интенсивность значительно увеличивает производительность, обработка диэлектрических материалов не требует специальных мер по нейтрализации поверхностного заряда, возникающего при ионной обработке.

Возможность генерации одновременно потоков медленных атомов с энергией распыления и быстрых тяжелых атомов с энергией в несколько килоэлектронвольт позволяет применять метод ассистированного нанесения тонких пленок с высокой адгезией, используя один источник. Простота, надежность и универсальность источника атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях позволяют создавать установки для комплексной поверхностной обработки различных материалов.

В источнике плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях используется возможность формирования плотного плазменного потока путем замагниченности тяжелых ионов в компактном размере и, выводе его вдоль магнитного поля источника.

Особый интерес к источникам плазменных потоков связан с проблемой разделения изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонансного нагрева. Источник плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными источниками, применяемыми в установках для разделения изотопов: универсальность, высокая плотность плазмы.

Основные цели работы:

- исследование физических основ разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях, выявление основных закономерностей, характеристик и параметров этого разряда;

- исследование модификаций этого разряда, условий их существования и характеристик;

- изучение возможности формирования атомарных и плазменных потоков в различных модификациях этого разряда;

- разработка источника атомарных потоков и исследование его возможностей в качестве установки для поверхностной обработки материалов;

- разработка источника плазменного потока с тяжелыми ионами и исследование его параметров.

Научная новизна.

Впервые исследован разряд с тяжелыми ионами в скрещенных полях в установке с малым размером катода (Як«Ка), проведены

экспериментальные исследования основных зависимостей, параметров и характеристик разряда с тяжелыми ионами,

определены основные закономерности зажигания и горения разряда с тяжелыми нонами, выполнены расчеты основных зависимостей и характеристик разряда.

Создан мощный универсальный источник атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях для обработки поверхности различных материалов. Определены основные закономерности формирования атомарных потоков. Проведены исследования основных характеристикой параметров атомарных потоков.

Предложен и реализован новый метод обработки поверхностей - низкоэнергетическая атомарная имплантация. Проведены физические эксперименты, демонстрирующие эффективность низкоэнергетической имплантации интенсивными атомарными потоками.

Предложен и реализован метод ассистированного нанесения тонких пленок с использованием одного источника атомарных потоков.

Предложен и реализован источник плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях. Определены основные закономерности формирования плазменного потока с тяжелыми ионами. Проведены исследования основных характеристик и параметров плазменного потока с тяжелыми ионами.

Разработаны и экспериментально проверены системы диагностики для измерения основных параметров плазменного потока с тяжелыми нонами (спектры продольных и поперечных энергий тяжелых ионов, пространственное распределение плотности ионов, полный ионный ток в плазменном потоке) в источнике на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях.

Практическая ценность работы.

Результаты проведенных исследований вносят существенный вклад в понимание физических процессов в разряде с тяжелыми ионами в скрещенных полях и различных его модификациях.

На основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях создан мощный универсальный источник атомарных потоков, обеспечивающий генерацию интенсивных (до 100 экв.мА/см2) потоков атомов низкой (1-10 кэв) энергии.

Разработан метод низкоэнергетической имплантации интенсивными атомарными потоками.

Разработан метод ассистированного нанесения тонких пленок с использованием одного источника - источника атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях.

На основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях разработан источник плазменного потока с тяжелыми ионами. Описаны физические процессы, происходящие при формировании плазменного потока. Параметры источника удовлетворяют требованиям, предъявляемым к источникам в установках для разделения изотопов методом ионно-циюклронного резонансного нагрева.

Разработанные системы диагностики для измерения основных параметров плазменного потока могут использоваться в ионных источниках с магнитным полем.

Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах в Институте ядерной физике им.Г.И.Будкера, на I Международном Симпозиуме "Пучковые технологии" (Дубна, 1995), IV Всероссийской Конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц и Международном Рабочем Совещании (Томск, 1996), Всероссийской Конференции по использованию синхротронного излучения "СИ'96" (Новосибирск, 1996), 3 Международном Рабочем Совещании "РВП'96" (Россендорф, 1996), Всероссийских Конференциях по физике плазмы (Звенигород, 1992, 1994, 1996, 1997).

Структура и состав работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст иллюстрирован 45 рисунками, список литературы включает 102 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, кратко описаны особенности разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях и его модификаций. Дается обзор структуры диссертации.

В первой главе рассматривается разряд с тяжелыми ионами в магнитной ловушке со скрещенными (радиальное электрическое и аксиальное магнитное) полями. Обсуждаются основные физические процессы и особенности этого разряда.

Разряд с тяжелыми ионами реализуется в результате самораспыления катода (центрального электрода) ускоренными в радиальном электрическом поле тяжелыми ионами, которые образуются при ионизации в плазменном объеме распыленных с поверхности катода атомов. Представлены основные экспериментальные результаты по исследованию этого разряда на установке "Источник со Скрещенными Полями" (ИСП) с малым размером катода (И.к<<Яа). Рассматривается физическая модель

разряда и приводятся расчеты основных зависимостей и характеристик разряда для различных режимов горения разряда с тяжелыми ионами. Обсуждаются вопросы устойчивости плазмы в источнике и стационарного горения разряда с тяжелыми ионами.

Во второй главе рассматривается модификация разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях для получения мощных атомарных потоков. Описаны физические принципы формирования многокомпонентных атомарных потоков. Обсуждаются особенности формируемых атомарных потоков: высокая интенсивность (до 100 мА/см2), азимутальная однородность на угол 360 градусов, широкий энергетический спектр. Показано, что два основных вида обработки (получение тонких пленок на поверхности и имплантация в поверхность материала) определяются режимами работы источника. Обсуждается возможность низкоэнергетической имплантации интенсивными атомарными потоками с глубоким проникновением внедряемых атомов в мишень. Обсуждается возможность получения тонких пленок с высокой адгезией методом одновременного воздействия потоками медленных (распыленных) и быстрых (1-10 кэв) атомов, формируемых источником. Источник атомарных потоков рассматривается в качестве универсальной установки для комплексной поверхностной обработки различных материалов и сравнивается с существующими системами. Приведены экспериментальные результаты по различным видам поверхностной обработки: имплантации и получению тонких пленок.

В третьей главе рассматривается модификация разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях для получения плазменного потока с тяжелыми ионами. Описаны физические принципы формирования плазменного потока с тяжелыми ионами. Описаны анализаторы, специально сконструированные для измерения основных параметров плазменного потока с тяжелыми ионами (спектр поперечных и продольных энергий тяжелых ионов,

пространственное распределение тяжелых ионов, полный ток тяжелых ионов в плазменном потоке). Приведены экспериментальные данные по измерению параметров плазменного потока. Рассматривается зависимость ионного тока в плазменном потоке от параметров источника (магнитное поле, разрядный ток), расчетные результаты сравниваются с экспериментальными данными. Обсуждается возможность использования источника плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях в установке для разделению изотопов методом ионно-циклотронного резонансного нагрева.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Экспериментально установлено, что разряд с тяжелыми ионами в скрещенных полях реализуется при малом значении параметра КкЛ1а. Проведены экспериментальные исследования основных

зависимостей, параметров и характеристик разряда с тяжелыми ионами. Изучены основные закономерности зажигания и горения разряда с тяжелыми ионами. Проведены модельные расчеты основных характеристик разряда, показано соответствие между расчетными и экспериментальными зависимостями.

2. Создан мощный универсальный источник атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях. Показано, что источник атомарных потоков может быть использован для обработки поверхностей различных материалов в режиме имплантации и нанесения тонких пленок. Установлено, что источник атомарных потоков имеет рекордные параметры (интенсивность потока до 100 экв.мА/см2 при суммарных потоках до 100-500 экв.А и энергии тяжелых атомов 1-10 кэв) для этого класса устройств и широкие функциональные возможности.

3. Предложен принципиально новый метод обработки поверхности

низкоэнергетическая атомарная имплантация. Экспериментально показана возможность эффективной низкоэнергетической имплантации интенсивными атомарными потоками с использованием источника атомарных потоков на основе разряда с тяжелыми ионами в скрещенных полях.

4. Предложен метод ассистированного нанесения тонких пленок с использованием одного источника атомарных потоков. Экспериментально установлена возможность получения тонких пленок с высокой адгезией.

5. Создан источник плазменного потока с тяжелыми ионами на основе разряда в скрещенных полях. Экспериментально изучены параметры плазменного потока с тяжелыми ионами: спектры продольных и поперечных энергий тяжелых ионов, электронная температура, пространственное распределение плотности ионов, полный ионный ток. Показана высокая эффективность этого источника (ионный ток до 3.6 А).

6. Разработана система диагностики для измерения и контроля основных параметров плазменного потока с тяжелыми ионами.

Основные результаты диссертации опубликованы в

следующих работах:

1. Волосов В.И., Чуркин И.Н. // Вольт-амперные характеристики разряда с тяжелыми ионами в ловушке со скрещенными полями // Препринт ИЯФ 94-75, 1994.

2. Волосов В.И., Стешов А.Г., Чуркин И.Н. II Источник атомарных потоков // Препринт ИЯФ 96-66, 1996.

3. Churkin I.N., Volosov V.I. II High effective implantation method in the range of the energies (0.5-10 kev) II Surface and Coatings Technology, 1997 (in print).

4. Churkin I.N, Tolochko B.P., Volosov V.I. И X-ray diffraction of samples irradiated by intensive atomic flows of low energy (report in "SR'96") // Nucl. Instr. and Meth. - A, 1997 (in print).

5. Churkin I.N., Volosov V.I., Steshov A.G. II Source of polyenergetic atomic flows for thin film deposition // Report (PBII'96 , Rossendorf, 1996).

6. Волосов В.И., Стешов А.Г., Чуркин И.Н. И Измерение основных параметров в плазменном потоке источника ИСП зондовыми методами // Препринт ИЯФ 96-59, 1996.

7. Волосов В.И., Стешов А.Г., Чуркин И.Н. И Измерение характеристик плазменного потока с замагниченными тяжелыми

ионами // Тезисы докладов XXIV Всероссийской Конференции по физике плазмы, и УТС,Звенигород, 1997, с.179.

8. Волосов В.И., Чуркин И.Н. И Мощный источник быстрых тяжелых

атомов // Тезисы докладов IV Всероссийской Конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц, Томск, 1996, с. 14-16.

9. Волосов В.И., Чуркин И.Н. II Имплантация интенсивными атомарными пучками низкой энергии // Тезисы докладов IV Всероссийской Конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц, Томск, 1996, с.17-19.

10. Волосов В.И., Чуркин И.Н., Сгпешов А.Г. // Плазменный источник интенсивных атомарных потоков // Тезисы докладов XXIV Всероссийской Конференции по физике плазмы, и УТС.Звенигород, 1997, с.234.