Многолучевой генератор газоразрядной плазмы

Многолучевой генератор газоразрядной плазмы

Реферат

Изобретение относится к области получения направленных потоков низкотемпературной плазмы и генерации ионных пучков с большим током и может быть использовано в микроэлектронике при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и в дифракционной оптике при производстве элементов дифракционной оптики.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда через затянутое мелкоструктурной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, в которой установлен основной тонкопроволочный анод [4. E.Oks, A.Vizir and G.Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998)]. В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами развивается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, из плазмы которого извлекаются ионы. Осциллирующие внутри катодной полости быстрые электроны обеспечивают генерацию однородной плазмы при очень низких давлениях газа.

Однако доля извлекаемых из плазмы ионов в этом случае невелика и составляет около 4% от тока разряда, поэтому его эффективность оказывается невысокой.

Известен источник ленточного электронного пучка (Патент США US 3831052 А, 20.08.1974), содержащий цилиндрический полый катод с продольной щелью в боковой стенке, анод с эмиссионным окном, перекрытым металлической сеткой, ускоряющий электрод с окном для пропускания электронного пучка, в полом катоде которого повышение однородности пучка достигается многократной осцилляцией электронов.

Однако наличие у катодной полости торцевых стенок вызывает различие в скорости образования ионно-электронных пар вблизи этих стенок и в остальной части полости. Это, в свою очередь, приводит к росту концентрации плазмы вблизи торцевых стенок полости и в наличии максимумов плотности тока по краям пучка.

Известен плазменный электронный источник ленточного пучка (Бурдовицин В.А., Федоров М.В., Окс Е.М. Плазменный электронный источник ленточного пучка. Патент РФ № 2231164, С1, МПК Н01J 37/077, 20.06.2004), в котором в полом катоде для увеличения равномерности распределения частиц в потоке плазмы внутренние торцевые стенки катодной полости закрыты пластинами термостойкого неорганического диэлектрика.

Однако конструкция устройства обладает рядом недостатков: необходимость перекрытия эмиссионного окна сеткой; наличие в конструкции устройства ускоряющего электрода; возможность формирования потока плазмы только одной стороной поверхности полого катода, что вытекает из конструкции анода; отсутствие возможности формирования полым катодом нескольких потоков плазмы с разными формами их сечения.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению является плазменный электронный источник (Бурдовицин В.А, Куземченко М.Н., Окс Е.М. Патент РФ № 2215383, С1, МПК Н05Н 1/24, Н05Н 5/00 27.10.2003), содержащий соосные полый катод, анод с эмиссионным отверстием, перекрытым эмиссионной сеткой, и ускоряющий электрод, между ускоряющим электродом и анодом размещен диск из термостойкого неорганического диэлектрика с отверстием в центре, диаметр которого больше диаметра эмиссионного отверстия в аноде и меньше отверстия в ускоряющем электроде.

Однако схема расположения электродов устройства не позволяет создавать несколько электронных лучей с разной формой сечения луча и в разных направлениях.

В основу поставлена задача генерирования газоразрядным устройством нескольких потоков плазмы с разными формами их сечения при одновременном увеличение тока газоразрядной плазмы, снижении напряжения на электродах газоразрядного устройства и упрощении его конструкции и эксплуатации.

Указанная цель при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из соосно расположенных анода и полого холодного катода, согласно изобретению к полому катоду прикреплено основание, катод коаксиально установлен в полый анод, а между катодом и анодом проложена изоляция толщиной λ<h<3λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы, h - толщина изоляции, проложенной между анодом и катодом, анод закрыт крышками, образуя герметическую полость, а в аноде, катоде, изоляции выполнены отверстия одинаковых размера и формы (фиг.1). Например, выполняют отверстия в форме круга, кольца, прямоугольника, треугольника, прямолинейных и изогнутых щелей. В готовой конструкции газоразрядного устройства отверстия в аноде, катоде, изоляции совмещены, образуя единое отверстие с общей боковой поверхностью.

На фиг.1 изображена конструкция многолучевого генератора низкотемпературной плазмы, которая содержит высоковольтный электрод 1, через который на полый катод 2 подается электропитание. Замкнутое пространство в полом катоде образуют с помощью основания 5, прикрепляемого к корпусу полого катода пайкой, сваркой или винтами. Сформированную конструкцию полого катода коаксиально помещают в полость конструкции изоляции катода 7. После чего полость диэлектрика с вложенной конструкцией полого катода закрывают диэлектрическим основанием 3, выполненным из фторопласта или диэлектрика. Конструкция полого анода представляет собой цилиндр, закрываемый с одной стороны крышкой 8. В полученную полость вкладывают конструкцию полого катода с изоляцией и замыкают полость анода привинчиванием к корпусу анода 6 металлической крышки 4.

Устройство осуществляется следующим образом.

В сформированной конструкции анод-изоляция-катод со стороны крышки 4 и цилиндрической поверхности анода 6 вырезают отверстия, форма которых совпадает с формой сечения потока газоразрядной плазмы. В результате в области отверстий возникает структура полый анод - полый катод. Количество и форму отверстий выбирают из условий проведения технологических операций.

При подаче на полученную конструкцию напряжения от 0,3 до 6 кВ в области отверстий возникает искривление силовых линий электрического поля. Свободные электроны, не встречая на своем пути ограничения, входят в полость катода и осуществляют ионизацию атомов остаточного газа, т.к. длина свободного пробега иона заходит в объем полости и ион успевает набрать энергию в ускоряющем поле, достаточную для осуществления процесса ионизации. Если ион ионизирует один и более электронов, то в области полости возникает облако газоразрядной плазмы, которое является эффективным источником свободных электронов для формирования газового разряда в области отверстия в аноде. Поскольку в промежутке анод-катод, т.е. на расстоянии h, свободный электрон не успевает набрать энергию для ионизации атомов остаточного газа, то ионизация происходит за пределами поверхности анода, т.е. разряд возникает за пределами конструкции устройства. Это позволило получать потоки газоразрядной плазмы в сотни и тысячи миллиампер при напряжениях 0,3-1 кВ. Формирование потока газоразрядной плазмы за пределами электродов устройства устранило зависимость ее параметров от площади обрабатываемой поверхности (эффект загрузки). Следует отметить, что форма полости катода в зависимости от требований технологической операции может быть квадратной, круглой, прямоугольной, зигзагообразной, т.е. любой. Главным условием возникновения газового разряда является выполнение трех условий: Н≥3λ; λ<h<3λ; Cγ≥1, где λ - длина свободного пробега электрона; Н - минимальный размер полости катода на пути движения иона; h - толщина изоляции между катодом и анодом; G - количество ионов; γ - количество электронов, ионизируемых одним ионом. Выполнение неравенства Н≥3λ является определяющим действием, т.к. в противном случае устраняются условия возникновения в полости катода газового разряда. Уменьшение толщины изоляции между анодом и катодом h, формирующей зазор между катодом и анодом, менее λ приводит к увеличению вероятности возникновения дугового разряда между ними, в результате которого газоразрядное устройство необратимо выходит из строя. Увеличение h более 3λ приводит к возникновению в этом промежутке паразитных разрядов, являющихся аномальными разновидностями тлеющего разряда, и интенсивному выгоранию рабочих поверхностей анода и катода. Это необратимо выводит газоразрядное устройство из дальнейшей эксплуатации.

При выполнении такого устройства в области отверстий генерируется одновременно несколько потоков низкотемпературной плазмы с разной или одинаковой формой их сечений и в одном или разных направлениях.

1. Многолучевой генератор газоразрядной плазмы, содержащий полый катод, анод, изоляцию, высоковольтный ввод, отличающийся тем, что полый катод, к которому прикреплено основание, коаксиально установлен в полый анод, а между катодом и анодом проложена изоляция толщиной λ<h<3λ, где λ - длина свободного пробега электрона в потоке газоразрядной плазмы, h - толщина изоляции между катодом и анодом, анод закрыт крышками, образуя герметическую полость, в аноде, катоде, изоляции выполнены соосные отверстия одинакового размера и формы.

2. Многолучевой генератор газоразрядной плазмы по п.1, отличающийся тем, что изоляция между поверхностями анода и катода изготовлена из фторопласта или полистирола.