Устройство для ионно-лучевой обработки деталей

 

Изобретение относится к ионно-плазменной технологии, а более точно - к установкам для ионно-лучевой обработки поверхности деталей в вакууме. Сущность изобретения заключена в следующем В об ласти закрепления детали в вакуумной камере создается зона торможения ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем вблизи обрабатываемой поверхности детали. Устройство дополнительно снабжается магнитом для установки детали и экраном, охватывающим узел закрепления детали и образующим над обрабатываемой поверхностью окно для прохождения ионного потока. Магнит выполняет роль тормозящего электрода с плавающим положительным потенциалом по отношению к экранирующему элементу, что обеспечивает условия для существованияЕ-слоя, тормозящего ионы Устройство позволяет уменьшить нижний уровень энергии ионов до 30-50 эВ, что позволяет осуществить новые технологии . 1 с.п.ф., 8 з.п.ф., 5 ил. сл с

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5I)5 С 23 С 14/46

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4842715/21 (22) 26.06,90 (46) 30.08.92. Бюл.N 32 (71) Московский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе и Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики (72) С.В.Даныш, А.Н,Лобанов, А,В.Обухов и

В.А,Обухов (56) Европейский патент ЕР % 0.021140,. кл. Н 01 J 27/00, i986.

Ионные инжекторы и плазменные ускорители/Под ред. A,È.ÌîðîçîBà и Н,Н.Семашко.- M,: Знергоатомиздат,.1990. с.213-217. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ

ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ (57) Изобретение относится к ионно-плазменной технологии, а более точно — к установкам для ионно-лучевой обработки поверхности деталей в вакууме. Сущность

Изобретение относится к ионно-плазменной технологии, а более точно к установкам для ионна-лучевой обработки поверхностей деталей в вакууме, Цель изобретения — создание установки для ионно-лучевой обработки поверхности деталей, при которой осуществляется воздействие интенсивных монокинетических пучков низкой, энергии за счет торможения ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем, создаваемым вблизи обрабатываемой поверхности.

Предложенная установка для ионно-лучевой обработки поверхности деталей, содержащая вакуумную камеру, в которой установлен источник ионного потока, ори«5U« 1758086 Al изобретения заключена в следующем. В области закрепления детали в вакуумной камере создается зона торможения ионов потока встречным по отношению к скорости ионов электрическим полем вблизи обрабатываемой поверхности детали. Устройство дополнительно снабжается магнитом для установкидетали и экраном, охватывающим узел закрепления детали и образующим над обрабатываемой поверхностью окно для прохождения .ионного потока. Магнит выполняет роль тормозящего электрода с плавающим положительным потенциалом по отношению к экранирующему элементу, что обеспечивает условия для существования (=-слоя, тормозящего ионы. Устройство позволяет уменьшить нижний уровень энергии ионов до 30-50 зВ, что позволяет осуществить новые технологии, 1 с.п.ф„8 з,п,ф., 5 ил. ентированный на обрабатываемую поверхность, согласно изобретению, снабжена системой торможения ионного потока с замкнутым электронным дрейфовым током, О содержащей экранирующий элемент с от- C) верстием для прохождения ионного потока tQQ в збну обработки поверхности, и магнитную (о систему, выполненную в виде магнитного клементе, нектар намагниченности которого параллелен обрабатываемой поверхно- а сти закрепленной на нем детали,.при этом линия электронного дрейфового тока замкнута в направлении, поперечном направлению ионного потока.

Для поштучной обработки деталей целесообразно, чтобы магнит был бы выполнен из магнито-твердого материала в форме

1758086

3 прямоугольной призмы, при этом узлы его

-крепления в вакуумной камере были бы размещены по меньшей мере, на одном из его магнитных полюсов.

Для групповой обработки деталей ши- 5 роким ионным потоком с целью повышения производительности процесса, nðè наличии магнитов более одйого, каждый из них необходимо выйолМть кольцеобразной формы из магнито-"твердого материала, при этом элемейты; должны: быть установлены одйн относительно другбго одноименными . полюсами встречно.

Для получения высоких степеней торможения ионов магнит целесообразно вы- 1 полнять из материала с высокой коэрцитивной силой, например из самарийкобальтового сплава, Сокращения частоты пробоев в системе торможения можно добиться. если экранирующий элемент выполнить в виде корпуса коробчатой формы, внутри которого установлен, по меньшей мере, один магнит, при этом отверстие для прохождения ионного потока должно быть выполнено в стенке, 2 охватывающей обрабатываемую поверхность.

Воздействие магнитного поля системы торможения на работу источника ионного потока будет снижено, если экранирующий элемент будет выполнен из магнито-мягкого ферромагнитного материала, Для повышения стабильности работы устройства оно может быть снабжено эмиттером электронов, установленным между 3 источником ионного потока и экранирую-. щим элементом, Предпочтительно снабдить установку источником постоянного тока, положительный полюс которого был бы подключен к магниту, а отрицательный полюс — к экранирующему элементу. Это позволяет регули ровать степень торможения ионов.

Экранирующий элемент может. быть заземлен, что стабилизирует работу установки.

20

40

ro материала в виде параллелепипеда. При

45 этом узлы крепления 11 размещены на его боковых поверхностях, являющихся магнитными полюсами, а линия t2 электронного дрейфового тока ортогональная вектору М индукции магнитного поля элемента и па50 раллельная обрабатываемой, поверхности; замкнута. Условие замкнутости линии 12 электронного дрейфового тока соблюдается и при выполнении магнитов 6 кольцеобразной формы из магнито-твердого материала, 55 которые установлены один относительно другого одноименными магнитными полюсами встречно. Тормозящие электроды 6 могут быть выполнены или из материала с высокой коэрцитивной силой, например из самарий-кобальтового сплава (ЯтСо6), или

Для совмещения во времени процесса нанесения материала покрытия и химическйх реакций на поверхности обрабатываемых деталей, например, целесообразно снабдить установку, по крайней мере, од: ним источником потока атомов материалов покрытия, ориентированным на обрабатываемую поверхность.

Установка ионна-лучевой обработки деталей зэ счет оснащения ее системой торможения ионного потока позволяет расширить технологические возможности ионно.-лучевой технологии путем расширения рабочего диапазона по энергии ионов в сторону ее снижения.

На фиг.1 изображена схема установки для ионно-плазменной обработки поверхности деталей; на фиг.2 — схема включения электродов системы торможения иойного потока при заземленном экранирующем, элементе; на фиг.3 — система торможения ионного потока при обработке индивидуальных деталей с экранирующим элементом в виде корпуса; на фиг.4 и 5 — варианты выполнеййя системы торможения ионного потока с магнитами кольцеобразной формы.

Установка ионно-лучевой обработки деталей содержит размещенные в вакуумной камере 1 (фиг.1) источник 2 ионного потока и систему 3 торможения ионного потока с установленными в ней деталями 4. Система содержит экранирующий элемент 5, внутри которого установлена магнитная система с магнитами 6, на которых закреплены детали

4. В стенке экранирующего элемента 5, обращенной к обрабатываемой поверхности деталей 4, выполнено отверстие 7 для прохождения ионного потока. Установка может содержать источник 8 постоянного тока, положительный полюс которого подключен к магниту 6, а отрицательный полюс — к экрану 5. При отсутствии источника 8 тормозящий электрод 6 будет под положительным по отношению к экранирующему электроду

5 потенциалом.

Ъ

Кроме того, установка может быть снабжена эмиттером 9 электронов, установленным между источником 2 ионного потока и экранирующим элементом 5, а при использовании установки для нанесения на обрабатываемую поверхность покрытия в нее введены источники 10 потока атомов мате-. риалов покрытия, например, испарительного типа.

Магнит 6 в роли тормозящего электрода может быть выполнен из магнито-твердо1758086

35

55 из диэлектрического магнитного материала, при этом он заключается в кожух 13 из злектропроводного немагнитного материала, Устройство; например, при ионном травлении кристаллов арсенида галлия работает следующим образом, При достижении вакуума 10 з П а включается источник 2 ионного потока.

Обычный уровень параметров потоков известных ионных источников; энергия ионов

eU >200 зВ, плотность ионного тока 1-2 мА/см, Однако для обработки кристаллов арсенида галлия требуется энергия ионов ниже 40 эВ при той же плотности ионного потока. Для этого на магнит 6 подается относительно экранирующего элемента 5 положительный потенциал величиной

Од=(0о-40) В. В этом случае в области обрабатываемых деталей 4 возникают условия для существования электрического слоя (Еслоя), в котором поддерживается электрическое поле, тормозящее ионы.

Как следует из физики разряда этого типа, поддержание электрического поля не вызывает большого электронного потока на обрабатываемую деталь 4 в том случае, если выполняется условие замыкания линии 12 — э двейфового электронного тока )е=еп, Ех В) ,где ne — концентрация электронов, а 2 квадратные скобки выражают векторное произведение. Линии 12 этого тока совпадают с линиями, параллельными обрабатываемой поверхности и перпендикулярными вектооу В. Направление скрещенных векторов Е иВ, а также ортогонального им вектора )е показано на фиг.3, 4, 5.

Предложенные геометрии магнитных элементов обеспечивают условия замыкания линии 12 электронного дрейфоваго тока. Как показывают эксперименты, при уровне магнитной индукции В > 0;05 Тл электронный ток может быть равен или даже меньше ионного при степени торможения ионов 0д/U 4=0,6-0,8. Это обеспечивает обработку деталей 4 потоком ионов с энергией, составляющей лишь 20-40% начальной, с которой они покидают источник 2 ионов.

В предложенных конструкциях уровень магнитной индукции может быть получен для размеров обрабатываемых де.талей 4< 50 мм, при использовании магнитных элементов из материала с большой козрцитивной силой, в частности из сплавов редкоземельных металлов, например самарий-кобальта. Использование подобного магнитного материала исключает эффект размагничивания во внешнем магнитном поле, что важно для получения

5 магнитного поля с требуемой топографией, Геометрические размеры L, Н, h, М определяются исходя из размеров деталей 4, а также из условия получения оптимальной топографии магнитйого поля. Так, по мере

10 AS снижения величины - - будет ухудшаться однородность магнитного поля над поверхностью магнита 6, что может приводить к неоднородности обработки и т.п.

15 Магнитная система можетбыть набрана из призматических магнитов 6, как это изображено на фиг.3, в том числе и из диэлектрического материала. В последнем случае для включения тормозящего электрода 6 в

20 цепь магнитные элементы необходимо заключить в кожух 14 из электропроводного материала. Важным усовершенствованием установки является введение змиттера 9 электронов, которое позволяет контролиро25 вать баланс электронов в ионном потоке и потенциал вторичной плазмы, наведенной ионным пучком. Это позволяет ослабить эффект запирания пучка объемным зарядом ионов и при прочих равных условиях повысить плотность ионного тока в збне обработки и стабильность работы.

Для реализации группы технологических процессов, связанных с получением плотных металлических слоев нэ диэлектрической подложке путем осаждения потока атомов металла при одновременной бомбардировке подложки потоком ионов низкой энергии необходимо ввести в установку источники 10 потока атомов материалов покрытия одного из известных типов, например испарительного типа. Как показали эксперименты, стабильность работы системы источник 2 потока ионов - система 3 торможения ионов зависит от баланса элек45 тронов в пучке, большую роль в котором играют вторичные электроны, образующиеся в обьеме потока и на стенках вакуумной камеры 1. Скорость их образования зависиот рода рабочего газа и его давления в камере 1. В зависимости от указанных условий может быть целесообразна как схема с плавающим потенциалом экранирующего электрода 5, при котором поток электронов из объема на электрод 5 автоматически определяется величиной ионного потока на этот же электрод 5, так и с заземленным зкранирующим электродом 5 (фиг.2), когда поток электронов обусловлен не только стационарными, но и стохастическими условиями баланса.

1758086

Для повьнления стабильности работы установки путем снижения вероятности пробоев в системе 3 торможения целесообразно экранирующий элемент 5 выполнить в виде корпуса коробчатой формы. В этом 5 случае внешняя, возбуждаемая потоком ионов в среде остаточного газа плазма не проникает в,область крепления тормозящих .электродов 6.

Изобретение позволяет расширить тех- 10 нологические возможности установки ионно-плазменной обработки поверхности деталей за счет снижения нижнего уровня .энергии ионов до 30-50 эВ, что позволяет осуществить новые технологии. 15

Формула изобре- ения

1, Устройство для ионно-лучевой обработки деталей, содержащее размещенные в вакуумной камере источник ионного потока, ориентированный на обрабатываемую по- 20 верхность детали, и узел крепленйя детали, электроизолированный от камеры, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей устройства за счет. снйжения энергии ионного 25 потока на обрабатываемой поверхности при сохранении его плотности, оно снабжено магнитной системой, состоящей по меньшей мере из одного постоянного магнита для установки на нем детали, формирую- 30 щим замкнутое на обрабатываемой поверхности магнитное поле, вектор (M) намагниченности которого параллелен этой поверхности, а также снабжено экранирующим элементом, электрически изолирован- 35 ным от камеры и узла крепления и охватывающйм узел крепления с деталью с образованием окна над обрабатываемой поверхностью детали, 2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, магнит выполнен из магнитотвердого материала, преимущественно из самарий-кобальта SmCog, 3. Устройство по п,1. о т л и ч а ю щ е ес я тем, что магнит выполнен в форме прямоугольной призмы, причем узел крепления детали в камере размещен по меньшей мере на одном из его магнитных полюсов.

4, Устройство по п.2; о г л и ч а ю щ е ес я тем,.что с целью повышения производительности за счет групповой обработки деталей, каждый магнит выполнен кольцеобразной формы, а два любых соседних встречно намагничены.

5. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что экранирующий элемент выполнен коробчатой формы.

6, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено эмиттером электронов, установленным между источником ионного потока и экранирующим электродом.

7. Устройство по п,1, отл и ч а ю щ еес я тем, что оно снабжено источником постоянного напряжения, положительная клемма которого подключена к магнитной системе, а отрицательная — к экранирующему элементу.

8. Устройство по п.7, отл и ч а ю щ е ес я тем, что экранирующий элемент заземлен.

9. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что оно снабжено по меньшей мере одним дополнительным источником ионного потока, ориентированным на обрабатываемую поверхность.

1758086

1758086

Составитель Т.Смирнова

Редактор Т,Орловская Техред M.Моргентал Корректор О.Кравцова

Заказ 2973 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101