RU2778246C1

RU2778246C1 - Device for processing products with fast atoms

Info

Publication number: RU2778246C1
Application number: RU2021135435A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Метель; Сергей Николаевич Григорьев; Марина Александровна Волосова; Юрий Андреевич Мельник; Энвер Серверович Мустафаев
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-08-16

Abstract

FIELD: products fast atoms processing.

SUBSTANCE: invention relates to a device for processing products with fast atoms. The device comprises a vacuum chamber, an anode installed inside the vacuum chamber, a discharge power supply connected between the anode and the vacuum chamber, a hollow body mounted on the vacuum chamber, a removable flange-holder of workpieces mounted on the hollow body, a high-voltage voltage input, a high-voltage generator voltage pulses, connected by the positive pole to the vacuum chamber, and by the negative pole to the high-voltage voltage input. The device is equipped with an accelerating grid in the form of a set of plane-parallel metal plates installed inside the hollow body at the boundary with the vacuum chamber and electrically connected to the high-voltage voltage input, and the parts of the plane-parallel metal plates facing the vacuum chamber have the shape of a segment of a circle.

EFFECT: expansion of operational capabilities by increasing the processing speed by reducing the cross section of the beam of fast atoms and increasing the density of their flux to the workpieces, as well as increasing the durability of the device by replacing a flat accelerating grid with a grid in the form of a set of plane-parallel metal plates.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки изделий ускоренными ионами или быстрыми атомами и предназначено для получения изделий с повышенными механическими и электрофизическими характеристиками поверхности за счет имплантации в нее легирующих элементов. The invention relates to the field of processing products with accelerated ions or fast atoms and is intended to obtain products with improved mechanical and electrical characteristics of the surface due to the implantation of alloying elements into it.

Известны метод и устройство для плазменной иммерсионной ионной имплантации (Conrad J.R. Method and apparatus for plasma source ion implantation. Patent US 4,764,394, August 16, 1988). Рабочую вакуумную камеру при низком давлении газа заполняют плазмой, погружают в нее обрабатываемое изделие и подают на изделие импульсы высокого напряжения отрицательной полярности. Ионы из плазмы ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и изделием и внедряются в его поверхностный слой.A method and apparatus for plasma immersion ion implantation is known (Conrad J.R. Method and apparatus for plasma source ion implantation. Patent US 4,764,394, August 16, 1988). The working vacuum chamber is filled with plasma at low gas pressure, the workpiece is immersed in it, and high-voltage pulses of negative polarity are applied to the workpiece. Ions from the plasma are accelerated in the space charge layer between the plasma and the product and penetrate into its surface layer.

Недостатком данного устройства является невозможность подавать высоковольтные импульсы на изделия из диэлектрических материалов.The disadvantage of this device is the inability to apply high-voltage pulses to products made of dielectric materials.

Другим устройством, известным из уровня техники, является вакуумная установка с камерой, оснащенной источником ионного пучка большого сечения (Hayes А.V., Kanarov V., Vidinsky В. Fifty centimeter ion beam source. Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. No 4. P. 1638-1641). При давлении около 0,01 Па пучок ионов с энергией до 5 кэВ и током до 5 А может обрабатывать вращающиеся в камере напротив ионно-оптической системы источника изделия с размерами в десятки сантиметров.Another device known from the prior art is a vacuum setup with a chamber equipped with a large cross section ion beam source (Hayes A.V., Kanarov V., Vidinsky B. Fifty centimeter ion beam source. Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. No 4. P. 1638-1641). At a pressure of about 0.01 Pa, an ion beam with an energy of up to 5 keV and a current of up to 5 A can process objects with dimensions of tens of centimeters rotating in the chamber opposite the ion-optical system of the source.

Недостатками данного устройства являются трудоемкость изготовления ионно-оптической системы, высокая стоимость и невозможность обрабатывать изделия ионами химически активных газов. Последнее связано с тем, что в ионном источнике для формирования плазменного эмиттера используется разряд с накаленными катодами, которые быстро отравляются и выходят из строя в химически активной среде.The disadvantages of this device are the complexity of manufacturing the ion-optical system, the high cost and the inability to treat products with ions of reactive gases. The latter is due to the fact that in an ion source a discharge with hot cathodes is used to form a plasma emitter, which are quickly poisoned and fail in a chemically active medium.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для обработки изделий быстрыми атомами (Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Источник широкого пучка быстрых атомов, получаемых при перезарядке ионов, ускоряемых между двумя областями, заполненными плазмой // Приборы и техника эксперимента. 2009. №4. С. 166-172).The closest in technical essence to the proposed invention is the device selected as a prototype for processing products with fast atoms (Grigoriev S.N., Melnik Yu.A., Metel A.S., Panin V.V. Source of a wide beam of fast atoms obtained during recharging of ions accelerated between two plasma-filled regions // Instruments and Experimental Technique, 2009, No. 4, pp. 166-172).

Устройство содержит вакуумную камеру, установленный на ней полый корпус, размещенный внутри корпуса полый катод, анод, перекрывающую выходное отверстие катода ускоряющую сетку диаметром 20 см, соединенную с камерой через резистор, источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с анодом, а отрицательным плюсом - с полым катодом, и источник ускоряющего напряжения, соединенный положительным полюсом с анодом, а отрицательным плюсом - с сеткой.The device comprises a vacuum chamber, a hollow housing mounted on it, a hollow cathode placed inside the housing, an anode, an accelerating grid 20 cm in diameter blocking the cathode outlet, connected to the chamber through a resistor, a discharge power source connected by a positive pole to the anode, and by a negative plus to a hollow cathode, and an accelerating voltage source connected by a positive pole to the anode, and by a negative plus to the grid.

При давлении аргона ~ 0,4 Па подача ускоряющего напряжения до 10 кВ между анодом и сеткой и напряжения до нескольких сотен вольт между анодом и полым катодом инициирует тлеющий разряд, в результате полый катод заполняется однородным плазменным эмиттером. Ускоренные в слое объемного заряда между плазменным эмиттером и ускоряющей сеткой ионы влетают через отверстия сетки в вакуумную камеру, где при столкновениях с атомами газа превращаются в быстрые атомы.At an argon pressure of ~0.4 Pa, applying an accelerating voltage of up to 10 kV between the anode and the grid and a voltage of up to several hundred volts between the anode and the hollow cathode initiates a glow discharge; as a result, the hollow cathode is filled with a uniform plasma emitter. The ions accelerated in the space charge layer between the plasma emitter and the accelerating grid fly through the grid holes into the vacuum chamber, where, upon collisions with gas atoms, they turn into fast atoms.

Пучок диаметром 20 см быстрых атомов, например, азота с энергией до 10 кэВ бомбардирует расположенные в камере изделия, например, плоские подложки диаметром 2 см и осуществляет имплантацию азота в их поверхностный слой. Скорость имплантации, определяемая плотностью тока ионов через ускоряющую сетку, ограничена. В то же время, площадь поперечного сечения пучка заметно превышает поверхность обрабатываемых подложек, и значительная доля быстрых атомов попадает на стенку камеры. Это снижает эффективность их использования.A beam with a diameter of 20 cm of fast atoms, for example, nitrogen with an energy of up to 10 keV, bombards products located in the chamber, for example, flat substrates with a diameter of 2 cm, and implants nitrogen into their surface layer. The implantation rate, determined by the ion current density through the accelerating grid, is limited. At the same time, the cross-sectional area of the beam significantly exceeds the surface of the processed substrates, and a significant fraction of fast atoms hits the chamber wall. This reduces the efficiency of their use.

Недостатками известного устройства, в том числе техническими проблемами, являются интенсивное распыление сетки ионами, которое сокращает срок службы устройства и вызывает загрязнение изделий атомами материала сетки, а также ограниченная скорость обработки изделий и низкая эффективность использования быстрых атомов.The disadvantages of the known device, including technical problems, are intensive sputtering of the grid with ions, which reduces the service life of the device and causes contamination of products with atoms of the grid material, as well as a limited processing speed of products and low efficiency of using fast atoms.

Задачей предложенного решения является создание устройства для обработки изделий быстрыми атомами с повышенным сроком службы, повышенной скоростью обработки и повышенной эффективностью использования быстрых атомов.The objective of the proposed solution is to create a device for processing products with fast atoms with an increased service life, increased processing speed and increased efficiency of using fast atoms.

Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей за счет увеличения скорости обработки путем уменьшения поперечного сечения пучка быстрых атомов и повышения плотности их потока на обрабатываемые изделия, а также увеличения долговечности устройства путем замены плоской ускоряющей сетки, сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин.The technical result is the expansion of operational capabilities by increasing the processing speed by reducing the cross section of the beam of fast atoms and increasing the density of their flux to the workpieces, as well as increasing the durability of the device by replacing the flat accelerating grid with a grid in the form of a set of plane-parallel metal plates.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для обработки изделий быстрыми атомами, содержит вакуумную камеру, установленный внутри вакуумной камеры анод, включенный между анодом и вакуумной камерой источник питания разряда, установленный на вакуумной камере полый корпус, установленный в торце полого корпуса съемный фланец-держатель обрабатываемых изделий, установленный на полом корпусе высоковольтный ввод напряжения, генератор высоковольтных импульсов напряжения, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с высоковольтным вводом напряжения, заявленное устройство снабжено ускоряющей сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин, установленных внутри полого корпуса на границе с вакуумной камерой и соединенных электрически с высоковольтным вводом напряжения, причем обращенные в сторону вакуумной камеры участки плоскопараллельных металлических пластин имеют форму сегмента круга.The problem is solved, and the claimed technical result is achieved in that the device for processing products with fast atoms contains a vacuum chamber, an anode installed inside the vacuum chamber, a discharge power source connected between the anode and the vacuum chamber, a hollow body installed on the vacuum chamber, installed at the end of the hollow removable flange-holder of workpieces mounted on a hollow body high-voltage voltage input, a generator of high-voltage voltage pulses connected by a positive pole to a vacuum chamber, and a negative pole to a high-voltage voltage input, the claimed device is equipped with an accelerating grid in the form of a set of plane-parallel metal plates installed inside a hollow body at the boundary with the vacuum chamber and electrically connected to a high-voltage voltage input, moreover, the sections of plane-parallel metal plates facing the vacuum chamber have the shape of a segment of a circle.

Изобретение поясняется графическими изображениями.The invention is illustrated by graphic images.

На фиг. 1 представлена схема устройства для обработки изделий быстрыми атомами.In FIG. 1 shows a diagram of a device for processing products with fast atoms.

На фиг. 2 тоже, вид сверху.In FIG. 2 also, top view.

Устройство для обработки изделий быстрыми атомами содержит вакуумную камеру 1, установленный внутри вакуумной камеры 1 анод 2, включенный между анодом 2 и вакуумной камерой 1 источник питания разряда 3, установленный на вакуумной камере 1 полый корпус 4, установленный в торце полого корпуса 4 съемный фланец-держатель 5 обрабатываемых изделий 6, установленный на полом корпусе 4 высоковольтный ввод напряжения 7, генератор высоковольтных импульсов напряжения 8, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой 1, а отрицательным полюсом с высоковольтным вводом напряжения 7, в заявленном устройстве ускоряющая сетка 9 выполнена в виде набора плоскопараллельных металлических пластин 10, установленных внутри полого корпуса 4 на границе с вакуумной камерой 1 и соединенных электрически с высоковольтным вводом напряжения 7. Обращенные в сторону вакуумной камеры 1 участки 11 плоскопараллельных металлических пластин 10 имеют форму сегмента круга. На фиг. 1 и фиг. 2 показаны также плазма 12, слой объемного заряда 13 между плазмой 12 и стенками вакуумной камеры 1, слой 14 между плазмой 12 и плоскопараллельными металлическими пластинами 10, ионы 15, быстрые атомы 16 и торцы 17 плоскопараллельных металлических пластин 10.The device for processing products with fast atoms contains a vacuum chamber 1, an anode 2 installed inside the vacuum chamber 1, a discharge power supply 3 connected between the anode 2 and the vacuum chamber 1, a hollow body 4 installed on the vacuum chamber 1, a removable flange installed at the end of the hollow body 4 - holder 5 of workpieces 6 mounted on a hollow body 4 high-voltage voltage input 7, a generator of high-voltage voltage pulses 8, connected by a positive pole to a vacuum chamber 1, and by a negative pole to a high-voltage voltage input 7, in the claimed device, the accelerating grid 9 is made in the form of a set of plane-parallel metal plates 10 installed inside the hollow body 4 at the boundary with the vacuum chamber 1 and electrically connected to the high-voltage voltage input 7. The sections 11 of the plane-parallel metal plates 10 facing the vacuum chamber 1 have the shape of a segment of a circle. In FIG. 1 and FIG. 2 also shows plasma 12, space charge layer 13 between plasma 12 and walls of vacuum chamber 1, layer 14 between plasma 12 and plane-parallel metal plates 10, ions 15, fast atoms 16, and ends 17 of plane-parallel metal plates 10.

Устройство для обработки изделий быстрыми атомами работает следующим образом.A device for processing products with fast atoms works as follows.

Вакуумную камеру 1 и полый корпус 4 с закрепленными на съемном фланце-держателе 5 обрабатываемыми изделиями 6 откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее рабочий газ, например, азот и увеличивают давление в ней до - 0,1 Па. Включение источника питания разряда 3 инициирует тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов, и вакуумная камера 1 заполняется однородной плазмой 12, отделенной от стенок вакуумной камеры 1 слоем объемного заряда 13. После прогрева и очистки тлеющим разрядом с напряжением ~ 300 В и током до 3 А стенок вакуумной камеры 1 и плоскопараллельных металлических пластин 10 давление газа р уменьшают до ~ 0,01 Па и включают генератор высоковольтных импульсов напряжения 8. Ускоряемые в слое 14 между однородной плазмой 12 и плоскопараллельными металлическими пластинами 10 импульсом высокого напряжения, например, 50 кВ ионы 15 пролетают при давлении p=0,01 Па через зазоры между плоскопараллельными металлическими пластинами 10 без столкновений с молекулами газа. Однако из-за неоднородности электрического поля на торцах 17 плоскопараллельных металлических пластин 10 ионы 15 рассеиваются на малые углы, касаются поверхностей плоскопараллельных металлических пластин 10 и в результате превращаются в быстрые атомы 16, бомбардирующие обрабатываемые изделия 6. Ускоряемые плоскопараллельными металлическими пластинами 10 из однородной плазмы 12 ионы 15 превращаются в быстрые атомы 16 с энергией 50 кэВ, соответствующей амплитуде импульса напряжения 50 кВ.The vacuum chamber 1 and the hollow body 4 with workpieces 6 fixed on a removable flange-holder 5 are pumped out to a pressure of 1 MPa, then a working gas, for example nitrogen, is supplied into it and the pressure in it is increased to - 0.1 Pa. Turning on the power source of discharge 3 initiates a glow discharge with electrostatic confinement of electrons, and vacuum chamber 1 is filled with homogeneous plasma 12, separated from the walls of vacuum chamber 1 by a layer of space charge 13. After heating and cleaning by a glow discharge with a voltage of ~ 300 V and a current of up to 3 A, the walls vacuum chamber 1 and plane-parallel metal plates 10, the gas pressure p is reduced to ~ 0.01 Pa and the generator of high-voltage voltage pulses 8 is turned on. Accelerated in layer 14 between homogeneous plasma 12 and plane-parallel metal plates 10 by a high voltage pulse, for example, 50 kV, ions 15 fly by at a pressure p=0.01 Pa through the gaps between plane-parallel metal plates 10 without collisions with gas molecules. However, due to the inhomogeneity of the electric field at the ends 17 of the plane-parallel metal plates 10, the ions 15 are scattered at small angles, touch the surfaces of the plane-parallel metal plates 10 and, as a result, turn into fast atoms 16 bombarding the workpieces 6. Accelerated by plane-parallel metal plates 10 from a homogeneous plasma 12 ions 15 are converted into fast atoms 16 with an energy of 50 keV, corresponding to a voltage pulse amplitude of 50 kV.

Эффективной толщиной сетки в виде набора из плоскопараллельных металлических пластин 10 является их длина 15 см. По сравнению с плоской сеткой прототипа толщиной 0,2 см время ее распыления ионами в 15/0,2=75 раз больше. Это значительно повышает срок службы ускоряющей сетки и всего устройства. Быстрые атомы 16 распыляемых торцов 17 плоскопараллельных металлических пластин 10 поступают в вакуумную камеру 1, а вероятность их прохода через зазоры сетки длиной 15 см в полый корпус 4 с закрепленными на съемном фланце-держателе 5 обрабатываемыми изделиями 6 близка к нулю. Это предотвращает загрязнение обрабатываемых изделий 6 материалом сетки.The effective thickness of the grid in the form of a set of plane-parallel metal plates 10 is their length is 15 cm. Compared to a flat grid of the prototype with a thickness of 0.2 cm, the time of its sputtering with ions is 15/0.2=75 times longer. This significantly increases the service life of the accelerating grid and the entire device. Fast atoms 16 of sputtered ends 17 of plane-parallel metal plates 10 enter the vacuum chamber 1, and the probability of their passage through the mesh gaps 15 cm long into the hollow body 4 with workpieces 6 fixed on a removable flange-holder 5 is close to zero. This prevents contamination of the workpieces 6 with the mesh material.

Так как участки 11 плоскопараллельных металлических пластин 10, обращенные в сторону вакуумной камеры 1, имеют форму сегмента круга, ионы 15 ускоряются из однородной плазмы 12 в направлении к центру этого круга. В результате с увеличением расстояния от слоя объемного заряда 14 ширина пучка ускоренных частиц снижается. Например, при высоте ускоряющей сетки 20 см и ширине 30 см пластин длиной 15 см ширину пучка быстрых атомов 16 можно уменьшить от 30 см до 2,5 см и подвергать имплантации одновременно до восьми обрабатываемых изделий 6 диаметром 2 см, установленных на фланце-держателе 5 в вертикальном ряду. Плотность потока быстрых атомов 16 и скорость имплантации азота повышаются при этом в 30/2,5=12 раз.Since the sections 11 of the plane-parallel metal plates 10 facing the vacuum chamber 1 are in the form of a circle segment, the ions 15 are accelerated from the homogeneous plasma 12 towards the center of this circle. As a result, as the distance from the space charge layer 14 increases, the width of the accelerated particle beam decreases. For example, with an accelerating grid height of 20 cm and a width of 30 cm of plates 15 cm long, the width of the beam of fast atoms 16 can be reduced from 30 cm to 2.5 cm and implanted simultaneously up to eight workpieces 6 with a diameter of 2 cm mounted on a holder flange 5 in a vertical row. The flux density of fast atoms 16 and the rate of nitrogen implantation increase in this case by a factor of 30/2.5=12.

По сравнению с прототипом, формирующим пучок с плотностью потока быстрых атомов 16, равной плотности тока ионов 15 из плазменного эмиттера, заявляемое устройство позволяет на порядок повысить плотность потока быстрых атомов 16 и скорость обработки изделий. Уменьшение ширины сечения пучка быстрых атомов 16 до величины, соизмеримой с шириной обрабатываемых изделий 6, повышает эффективность использования быстрых атомов 16.Compared with the prototype, which forms a beam with a flux density of fast atoms 16, equal to the current density of ions 15 from the plasma emitter, the inventive device allows to increase the flux density of fast atoms 16 and the speed of processing products by an order of magnitude. Reducing the cross-sectional width of the beam of fast atoms 16 to a value commensurate with the width of the workpieces 6 increases the efficiency of using fast atoms 16.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - расширения эксплуатационных возможностей за счет увеличения скорости обработки путем уменьшения поперечного сечения пучка быстрых атомов и повышения плотности их потока на обрабатываемые изделия, а также увеличения долговечности устройства путем замены плоской ускоряющей сетки толщиной 0,2 см, распыляемой ионами в течение 2 месяцев, сеткой в виде набора плоскопараллельных металлических пластин с эффективной толщиной 15 см, распыляемой ионами в течение 150 месяцев. Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.Thus, the claimed set of essential features, reflected in the independent claim, provides the claimed technical result - expanding operational capabilities by increasing the processing speed by reducing the cross section of the beam of fast atoms and increasing their flux density on the workpieces, as well as increasing the durability of the device by replacing a flat accelerating grid 0.2 cm thick, sputtered with ions for 2 months, by a grid in the form of a set of plane-parallel metal plates with an effective thickness of 15 cm, sputtered with ions for 150 months. An analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required synergistic (supertotal) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для обработки изделий быстрыми атомами с повышенной скоростью имплантации в поверхность изделий легирующих элементов;- an object that embodies the claimed technical solution, in its implementation is intended for processing products with fast atoms with an increased rate of implantation of alloying elements into the surface of products;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the declared object in the form as it is characterized in the formula, the possibility of its implementation using the means and methods described above in the application or known from the prior art on the priority date is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- an object embodying the claimed technical solution, in its implementation, is capable of achieving the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed object meets the criteria of patentability "novelty", "inventive step" and "industrial applicability" under the current legislation.

Claims

A device for processing products with fast atoms, containing a vacuum chamber, an anode installed inside the vacuum chamber, a discharge power source connected between the anode and the vacuum chamber, a hollow body installed on the vacuum chamber, installed at the end of the hollow body, a removable flange-holder of the workpieces, installed on the hollow body high-voltage voltage input, a generator of high-voltage voltage pulses, connected by a positive pole to a vacuum chamber, and by a negative pole to a high-voltage voltage input, characterized in that it is equipped with an accelerating grid in the form of a set of plane-parallel metal plates installed inside a hollow body at the border with the vacuum chamber and connected electrically with a high-voltage voltage input, and the sections of plane-parallel metal plates facing the vacuum chamber have the shape of a segment of a circle.