Устройство для ионно-плазменной очистки диэлектрических поверхностей

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при разработке устройств для ионно-плазменного травления и очистки материалов, нейтрализации высоковольтной дифференциальной зарядки геостационарных спутников Земли, астрофизических исследований космического пространства. Устройство содержит источник ионов, катод-компенсатор, емкость с рабочим веществом и систему его подачи и регулирования расхода, источник электропитания разряда, катод-компенсатор, выполненный в виде металлической поверхности экрана-раструба, установленного на торцовой поверхности источника ионов. Емкость с рабочим веществом снабжена осевым непроходным каналом с нагревателем, а система регулирования расхода выполнена в виде регулятора мощности нагревателя с обратной связью по разрядному току. Устройство обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью и простотой. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при разработке устройств для ионно-плазменного травления и очистки материалов, нейтрализации высоковольтной дифференциальной зарядки диэлектрических поверхностей геостационарных космических аппаратов, прецизионной ориентации искусственных спутников Земли на геостационарных орбитах, астрофизических исследований космического пространства.

Известны устройства, использующие потоки низкотемпературной плазмы и ионные пучки для травления и очистки материалов, получения атомно-чистых поверхностей, полировки оптических поверхностей и др. Общим для устройств, используемых при реализации ионно-плазменного и ионно-лучевого травления, является генерация ионов с энергией ≈ 0,5-10 кэВ и облучение ими обрабатываемой поверхности твердого тела (подложки, мишени). В качестве рабочего тела используются тяжелые ионы инертных газов. Распыление материала облучаемой поверхности (физическое распыление) происходит, когда энергия ионов пучка Е_i превосходит пороговую энергию E_пор, значения которой при нормальном падении ионов для широкого класса материалов определены диапазоном Е_пор ≈10-40 эВ. Ниже Е_пор распыление практически отсутствует, Устройства, применяемые для реализации ионно-плазменного, ионно-лучевого и реактивного ионно-лучевого травления и очистки поверхностей твердых тел, включают в свой состав автономный источник ионов с электростатической ионно-оптической системой фокусировки ионного пучка, систему подачи рабочего тела, например аргона, источник ускоряющего напряжения, систему электропитания катода, систему компенсации объемного заряда ионного пучка.

Вторая группа устройств включает плазменный источник ионов, систему подачи рабочего тела, источники ускоряющего и управляющего напряжений, источник электропитания газоразрядной камеры ионизации.

Недостатками перечисленных устройств являются сложность изготовления и юстировки ионно-оптических электродных систем; низкая величина плотности ионного тока при энергии ионов пучка Е_i ≈ 400 эВ; низкая производительность устройства, обусловленная низкой плотностью ионного тока; значительные затраты энергии на нейтрализацию объемного заряда ионного пучка.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для ионно-плазменного травления и очистки, использующее в качестве источника ионов ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, которое принято за прототип. Устройство состоит из источника ионов (УЗДП), катода-компенсатора, системы подачи рабочего тела - инертного газа, источника ускоряющего напряжения, источника электропитания катода-компенсатора.

Недостатками пpототипа являются наличие в составе устройства катода-компенсатора, выполненного в виде накаливаемой нити или полого катода с гексаборидом лантана в качестве эмиттера электронов, что увеличивает массу и усложняет конструкцию устройства, увеличивает его габариты, требует автономного источника электропитания для катода-компенсатора; значительные (до 50%) энергозатраты подводимой мощности на функционирование системы компенсации объемного заряда ионного пучка; эрозия и разрушение стенок ускоряющего канала, что уменьшает ресурс эксплуатации устройства; загрязнение ионного пучка продуктами эрозии; наличие в устройстве системы подачи рабочего тела, включающей емкость с газом высокого давления, редуктор, заправочный клапан, что усложняет и утяжеляет конструкцию устройства, уменьшает время хранения рабочего тела и делает проблематичным применение устройства для эксплуатации в космических условиях.

Целью изобретения является упрощение конструкции, уменьшение массово-энергетических и габаритных характеристик, повышение надежности, увеличение ресурса эксплуатации, увеличение времени хранения рабочего тела, упрощение регулирования текущего расхода.

Цель достигается тем, что в устройстве, включающем источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, емкость с рабочим телом и систему его подачи и регулирования расхода, катод-компенсатор, источник электропитания разряда, катод-компенсатор выполнен в виде металлической поверхности экрана-раструба, установленного на торцовой поверхности источника ионов.

Цель достигается также тем, что емкость заполнена твердым рабочим телом, снабжена осевым непроходным каналом с нагревателем, а система регулирования текущего расхода выполнена в виде регулятора мощности нагревателя с обратной связью по величине разрядного тока.

Сущность предлагаемого изобретения в следующем. Компенсация объемного заряда ионного пучка может быть осуществлена за счет фото- и вторичных электронов, эмиттируемых металлической поверхностью экрана-раструба, облучаемой газовыми ионами пучка. В известных работах показано, что ≈30-40% подводимой мощности разряда уходит на электромагнитное излучение в ВУФ-области спектра. Для широкого класса металлов при энергии фотонов h ν ≈ 5 эВ квантовый выход γ_ν ≈ 10^-2-10^-4. Максимальное значение γ_ν ≈ 0,1 достигается при энергиях фотонов h ν ≈ 12 эВ. Учитывая, что в предлагаемом устройстве в качестве источника ионов используется одна из разновидностей УЗДП с более высоким уровнем энергии ионов, реально предположить, что выход основной части фотоэлектронов в предлагаемом устройстве обусловлен фотонами с энергией hν ≈ 5-15 эВ и для большинства материалов металлической поверхности экрана-раструба γ_ν ≅ 0,1. С другой стороны, учитывая, что среднее по пучку значение угла отклонения траектории ионов от оси источника ионов составляет cos β ≈ 0,95 ( β ≈ 18^о), то бомбардировка газовыми ионами металлической поверхности экрана-раструба, выполненного, например, в виде диффузора, прямого цилиндра или конфузора, установленных на торцовой поверхности источника ионов, является источником вторичных электронов. При бомбардировке металлической поверхности положительными газовыми ионами с энергией E_i ≈1-1000 эВ последние с вероятностью, близкой к единице, Оже-нейтрализуются на бомбардируемой поверхности с эмиссией вторичных электронов. Коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии γ_i для газовых ионов, например атомарного кислорода 0⁺, с энергией Е_о+ ≈ 600 эВ на поверхности большинства металлов, например стали Х18Н10Т, составляет γ_i ≈ 0,1. Эта величина может быть определена для различных пар газовый ион-металл по данным в известных работах, которые аппроксимируют зависимость γ_i ≈ 0,016 (h_i -e χ ), где h_i - энергия ионизация падающего иона; е χ - работа выхода. В частности, для атомарного кислорода h_i ≈ 13,5 эВ, работа выхода стали Х18Н10Т еχ ≈ 4,1 эВ. Таким образом посредством выбора геометрии экрана-раструба можно при бомбардировке его металлической поверхности газовыми ионами расходящегося пучка осуществить генерацию вторичных электронов в количестве, достаточном для компенсации объемного заряда ионного пучка без применения катода-компенсатора в виде накаливаемой нити или полого катода с гексаборидом лантана. При этом распыление металлической поверхности экрана-раструба положительными газовыми ионами, сопровождающее бомбардировку, обеспечивает необходимую чистоту облучаемой и бомбардируемой поверхности. Физическое распыление освобождает ее от слоев адсорбированных газов, оксидных пленок и покрытий. Физическое распыление при бомбаpдировке металлической поверхности экрана-раструба положительными газовыми ионами с энергией Е_i ≈ 600 эВ является источником положительных и отрицательных ионов ( ≈ 1%), а в основном - нейтралов.

На основании изложенного можно прийти к выводу, что компенсация объемного заряда ионного пучка в предлагаемом устройстве реализуется за счет фотоэмиссии и вторичной ионно-электронной эмиссии, для которых при энергии газовых ионов Е_i 1-1000 эВ, энергии фотонов h ν ≈ 5-12 эВ, квантовый выход из различных металлов γ_ν <0,1; для пары, например. 0⁺ - металл γ_i ≈ 0,1. При этом преобладающим с позиции генерации электронов и управления процессом их генерации является механизм вторичной ионно-электронной эмиссии.

Замена в системе подачи рабочего тела емкости, заполненной газообразным рабочим телом высокого давления, на емкость, заполненную твердым рабочим телом с давлением окружающей среды и снабженную осевым непроходным каналом с нагревателем, позволяет многократно уменьшить массу системы подачи и устройства в целом. Так, например, при использовании предлагаемого устройства для ионно-плазменной очистки диэлектрических поверхностей в условиях космического полета модуля "Квант" (объектив телекамеры) масса системы подачи составила 250 г, из которых 50 г - масса твердого рабочего тела, преимущественно перманганата калия, а 200 г - масса емкости с нагревателем. Масса эквивалентной системы подачи газообразного рабочего тела, содержащая ≈ 20 л кислорода, составляет не менее 10 кг, а время хранения рабочего тела в твердой фазе при давлении окружающей среды практически не ограничено, тогда как условия и требования хранения газообразного кислорода существенно сложнее.

Регулирование текущего расхода осуществляется управляющими прямоугольными импульсами напряжения частотой 12 кГц. При подаче импульсного напряжения на нагреватель вся электрическая мощность источника питания устройства идет на накал спирали. По мере появления расхода ( ≈ 10 мин) и в связи с этим разрядного тока ширина управляющих импульсов изменяется. При этом ток в цепи нагревателя изменяется, что приводит к изменению расхода. Заданные расход рабочего тела и разрядный ток поддерживаются автоматически.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство имеет следующие отличительные признаки: катод-компенсатор выполнен в виде металлической поверхности экрана-раструба; экран-раструб установлен на торцовой поверхности источника ионов; емкость заполнена твердым рабочим телом; емкость снабжена осевым непроходным каналом с нагревателем; система регулирования текущего расхода выполнена в виде регулятора мощности нагревателя с обратной связью по величине разрядного тока.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими, известными в науке и технике, решениями не позволило выявить в них признаки, сходные с теми, которые отличают заявляемое решение от прототипа. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Примером конкретной реализации предлагаемого технического решения является устройство, конструктивная схема которого приведена на чертеже.

Устройство содержит источник 1 ионов с замкнутым дрейфом электронов, емкость 2 с твердым рабочим телом 3, регулятор 4 расхода, катод-компенсатор в виде металлического экрана-раструба 5, источника 6 электропитания устройства. Емкость рабочего тела имеет непроходной осевой канал с нагревателем 7, предохранительный 8 и расходный 9 клапаны, диэлектрическую расходную магистраль 10. Позиции 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 13 составляют систему подачи и регулирования текущего расхода. Магнитное поле в источнике 1 ионов создается магнитной системой 11. Устройство генерирует ионы и облучает ими диэлектрическую мишень - подложку 12. Сопротивление 13 служит для регистрации величины разрядного тока.

Устройство работает следующим образом. При включении в бортовую цепь источника 6 питания устройства в разрядную цепь источника 1 ионов поступает высокое напряжение в 2,5 кВ и низкое импульсное напряжение в 27 В в цепь нагревателя 7. По истечении некоторого времени нагрева, необходимого для термического разложения твердого рабочего тела 3, посредством системы подачи и регулирования 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 13 рабочее тело в виде газа поступает в область разряда источника 1 ионов. Загорается разряд и генерируется ионный пучок, который компенсируется вторичными электронами, выбиваемыми с металлической поверхности экрана-раструба 5, и направляется на диэлектрическую мишень - подложку 12. Заданная величина разрядного тока в течение всего периода работы устройства поддерживается системой регулирования расхода 4, 6, 7, 13.

Эксперименты показали, что при мощностях ионного пучка в 1...20 Вт имеются режимы работы ускорителя ионов с катодом-компенсатором в виде раструба, когда полный ток на карнизе ускорителя ионов и стенке вакуумной камеры близок к нулю. Эти режимы характеризуются следующими параметрами: разрядный ток 2...15 мА, ускоряющее напряжение 1,8...2,5 кВ, объемный расход рабочего тела, кислорода 0,2...0,5 см³/с.

Частично результаты экспериментальных данных опубликованы в "Отчете о научно-исследовательской работе кафедры двигателестроения", тема 61-86, гл. 3, с. 37 (микрофильм отчета во ВНТИЦентре р. N 02890018566, от 02.06.89).

Разработанное авторами устройство применялась для ионной очистки в условиях космоса загрязненного стекла бленды телекамеры, установленной на модуле "Квант" орбитальной станции "Мир". Основные технические характеристики устройства: масса 5 кг, габариты 133х195х310 мм, мощность ионного пучка 20 Вт, мощность нагревателя рабочего тела в стартовом режиме 50 Вт, энергия ионов порядка 500 эВ, время эффективной очистки загрязнения 120 мин, время выхода на оптимальный режим работы 12 мин.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОЧИСТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, содержащее источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, емкость с рабочим веществом, систему подачи и регулирования расхода рабочего вещества, катод-компенсатор, источник электропитания разряда, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, улучшения эксплуатационных характеристик, катод-компенсатор выполнен в виде металлического экрана-раструба, установленного на торцевой поверхности источника ионов, емкость с рабочим веществом снабжена осевым непроходным каналом, в котором установлен нагреватель, система регулирования расхода рабочего вещества выполнена в виде регулятора мощности нагревателя с обратной связью по величине разрядного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1