Протяженный источник ионов

Устройство относится к источникам ионов на основе плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и узкой зоной ускорения (УЗДУ). Протяженный источник ионов с УЗДУ содержит азимутально-замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный с ним стенками внешнего и внутреннего магнитных полюсов и открытый на выходе, азимутально-замкнутый анод, размещенный в полости магнитопровода и ориентированный вдоль канала для образования с полюсами разрядного пространства, а также средства для создания магнитного поля в азимутально-замкнутом канале, расположенные в полости магнитопровода; магнитные полюса выполнены протяженными и формирующими азимутально-замкнутый канал вытянутым симметрично вдоль оси, перпендикулярной оси ускорения ионов, так что образуются два параллельных протяженных канала выпуска ионов, при этом средства для создания магнитного поля обеспечивают однородное магнитное поле, вектор индукции которого вдоль всего канала перпендикулярен направлению ускоряемого потока ионов. Ионный источник может быть использован для ионно-лучевой обработки длинномерных изделий с большой площадью поверхности. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Заявляемое устройство относится к технике формирования ионных пучков, а именно к источникам ионов на основе плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и узкой зоной ускорения (УЗДУ), которые могут быть использованы для ионно-лучевой обработки длинномерных изделий с большой площадью поверхности.

Известны традиционные методы формирования ионных пучков [Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. - М.: Атомиздат, 1972. С.54-60].

В качестве прототипа выбран источник ионов на основе разряда с замкнутым холловским током [Плазменные ускорители. Под ред. акад. Л.А.Арцимовича, - М.: Машиностроение, 1972. С.54-60]. В основу его положен принцип ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и узкой зоной ускорения (УЗДУ). Источник содержит магнитную систему, включающую кольцеобразный полый магнитопровод с полюсами, кольцеобразный анод, размещенный в полости магнитопровода.

Недостатком прототипа является форма получаемого таким источником ионного пучка, не позволяющая эффективно обрабатывать изделия с большой площадью поверхности.

Настоящее изобретение решает техническую задачу конструирования газового источника с малыми поперечными размерами и без ограничения размеров в длине эмиссионной поверхности.

Технический результат - высокая равномерность распределения плотности тока при формировании протяженного пучка.

Дополнительный технический результат - простота конструкции, облегчающая разборку источника, позволяющая изменять направленность пучков и дающая возможность комбинировать положение источника при его использовании в напылительной системе.

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном устройстве, протяженный источник ионов с замкнутым дрейфом электронов содержит азимутально-замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный соосными с ним стенками внешнего и внутреннего магнитных полюсов и открытый на выходе, азимутально-замкнутый анод, размещенный в полости магнитопровода и ориентированный вдоль канала для образования с полюсами разрядного пространства, а также средства для создания магнитного поля в азимутально-замкнутом канале, расположенные в полости магнитопровода.

Новым является то, что магнитные полюса выполнены протяженными и формирующими азимутально-замкнутый канал вытянутым симметрично вдоль оси, перпендикулярной оси ускорения ионов, так что образуются два параллельных протяженных канала выпуска ионов, при этом средства для создания магнитного поля обеспечивают однородное магнитное поле, вектор индукции которого вдоль всего канала перпендикулярен направлению ускоряемого потока ионов.

Кроме того, магнитные полюса и анод могут быть установлены таким образом, что их оси симметрии повернуты на 45° от нормали источника ионов, образуя протяженный азимутально-замкнутый канал выпуска ионов с эмиссионной поверхностью, развернутой на 45° по контуру, и обеспечивая формирование двух параллельных протяженных пучков ионов, развернутых по направлению на 90° относительно друг друга.

Кроме того, магнитные полюса являются корпусом источника ионов и одновременно катодом и находятся под потенциалом земли.

Кроме того, внутренний и внешний магнитные полюса выполнены съемными и имеют отверстия для крепления в системе напыления.

Кроме того, средства для создания магнитного поля выполнены в виде набора n-го количества постоянных магнитов, установленных азимутально-замкнуто по внешнему контуру магнитопровода и охватывающих внутренний магнитный полюс.

Кроме того, постоянные магниты представляют собой пластины различной величины прямоугольного сечения и выполнены из самарий-кобальтового сплава.

Кроме того, внутренняя часть магнитопровода выполнена с изоляцией для предотвращения горения разряда вне разрядного пространства анод - магнитные полюса.

Кроме того, анод выполнен из полого алюминиевого профиля и имеет полость для подачи рабочего газа в разрядное пространство и полость для циркуляции жидкости охлаждения.

Проблема получения вакуумно-плазменных покрытий на стеклах большого формата общеизвестна и связана, прежде всего, с отсутствием высокоэффективных напылительных систем с протяженной планарной эмиссионной поверхностью, а также с трудностями получения хорошей адгезии покрытий. Существует много способов улучшения адгезии. Наиболее эффективным является использование в технологии магнетронного напыления сопровождения его ионной бомбардировкой и предварительная обработка поверхности стекла ионным пучком. Ионная обработка стекла перед напылением не только производит очистку поверхности от сорбированных загрязнений и газов, но и активирует ее, что в конечном счете улучшает сцепление пленки металлов и их окислов со стеклом. Для активирования поверхности достаточно плазмы тлеющего разряда с энергией несколько сот эВ. Роль ионного сопровождения сводится к ионному перемешиванию границы раздела напыляемых слоев и поверхности стекла. В этом случае для получения покрытия с высокой адгезией и химической стойкостью требуются ионы с энергией не менее 6-8 кэВ и плотностью тока до 1 мА/см². Создание ионных источников с протяженной эмиссионной поверхностью и отвечающим таким требованиям является сложной задачей, и она не может быть решена использованием традиционных методов формирования ионных пучков. Предлагаемое изобретение - источник газовых ионов, в основу которого положен принцип плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и узкой зоной ускорения (УЗДУ), позволяет решить такую задачу.

Для ускорителей с замкнутым дрейфом электронов характерна квазинейтральность ускоряющего слоя и отсутствие ограничений плотности ионного тока пространственным зарядом, возможность получения большой величины плотности тока, ограниченного только напряженностью магнитного поля, для постоянного режима ускорения ионов не требуется искусственный источник электронов, а достаточно лишь приложить разность потенциалов. Эти свойства УЗДУ дают возможность конструировать источник ионов с малыми поперечными размерами, в то же время без ограничения размеров в длине эмиссионной поверхности.

Изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг.1 представлен поперечный разрез предлагаемого источника с двумя параллельными пучками ионов;

на фиг.2 представлен поперечный разрез предлагаемого источника с двумя пучками ионов, развернутых по направлению на 90° относительно друг друга;

на фиг.3 представлено размещение предлагаемого источника ионов в установке для напыления покрытия;

на фиг.4 приведены ВАХ предлагаемого ионного источника при различных давлениях.

Источник ионов (фиг.1) содержит азимутально-замкнутый анод 1, магнитные полюса 2 (внутренняя и внешняя часть которых образуют протяженный азимутально-замкнутый канал выпуска ионов), магнитопровод 3 и постоянные магниты 4, изолятор 5, изолирующие втулки 6, источник электропитания 7.

Разрядное пространство источника ограничено магнитными полюсами 2 и магнитопроводом 3, внутри которых находится анод 1, удерживаемый изолирующими втулками 6. Расстояние анод 1 - внутренний край магнитных полюсов 2 выбрано из соотношений R_e≪Λ_н, R_i>Λ_н и Λ_Е˜R_e√ν₀/ν_ион, где R_e и R_i - ларморовские радиусы электронов и ионов соответственно, Λ_н - масштаб неоднородности магнитного поля, Λ_Е - длина ускоряющего промежутка, ν₀ - частота кулоновских столкновений, ν_ион - частота генерации электронов в объеме. Магнитное поле величиной 1-1,3 кЭ в пространстве ускорения создается постоянными магнитами 4 и магнитными полюсами 2, являющимися корпусом источника ионов. Они же являются катодом и находятся под потенциалом земли. Анод 1 и магнитопроводы 2 выполнены водоохлаждаемыми. Пространство между анодом и внутренней стороной магнитопроводов изолировано плоскими керамическими пластинами (изоляторами 5) для предотвращения горения разряда вне разрядного пространства. Между магнитопроводами установлены постоянные магниты из самарий-кобальтового сплава, имеющие одинаковый размер в направлении намагниченности. Они же обеспечивают одновременно сохранение зазора между полюсами магнитопровода и анодом. Источник ионов имеет в верхней части отверстия для крепления в системе напыления.

В частном варианте заявляемого источника, изображенного на фиг.2, магнитные полюса 2 и анод 1 установлены таким образом, что их оси симметрии повернуты на 45° относительно нормали источника ионов, образуя протяженный азимутально-замкнутый канал выпуска ионов с эмиссионной поверхностью, развернутой на 45° по контуру. В результате этого обеспечивается возможность формирования двух параллельных протяженных пучка ионов, развернутых по направлению на 90° относительно друг друга. Такой источник используется для одновременной обработки двух противоположных поверхностей.

Зазор между анодом 1 и полюсами 2 магнитопровода 3 регулируется установочными шайбами при сборке источника ионов. Точность сборки магнитопровода обеспечивается установочными штифтами 8, формообразующими пластинами 10 и винтами 9, 11.

Источник ионов работает следующим образом.

Источник устанавливается в вакуумной камере для напыления теплоотражающих покрытий между магнетронами. Пример расположения предлагаемого источника ионов приведен на фиг.3.

При подаче напряжения между анодом 1 и катодом - магнитными полюсами 2 зажигается разряд в скрещенных E⊥H полях. Разряд зажигается в атмосфере остаточного газа при напряжении ˜800 В и горит в области разрядной камеры, при повышении давления и напряжения выходит за пределы разрядной камеры и формируется в плазменный шнур с устойчивым свечением. При ускоряющем напряжении U_O≤1,5 кВ возникает неустойчивое горение разряда, проявляющееся в виде пульсаций интенсивности свечения плазменного шнура, которое исчезает при увеличении напряжения либо повышения давления рабочего газа. Это явление интерпретируется аналогично пирсовой электростатической неустойчивостью электронного пучка в высоком вакууме, приводящей к образованию виртуального катода. Сформированный ионный пучок имеет слабую расходимость и практически не меняет свою геометрию при увеличении напряжения ускорения ионов. Напряжение гашения разряда составляет ˜400-300 В в зависимости от давления рабочего газа. Исследования режимов работы и электрических параметров ионного источника свидетельствуют о реализации физического принципа работы УЗДУ в заложенной конструкции. Ток ионного пучка в зависимости от давления при повышении напряжения до 5 кВ возрастает почти до максимального значения и выходит на насыщение при напряжении выше 5 кВ (фиг.4.). Возможности получения более высоких плотностей тока ограничиваются только величиной магнитного поля в зазоре магнитных полюсов. Показанная в таблице плотность тока является частным случаем и получена для конкретного применения предлагаемого ионного источника в технологии напыления теплоотражающих покрытий на стекло.

В таблице приведены технические характеристики источника ионов.

Таблица
№ п/п	Технические характеристики, параметры	Величина параметра
1	Принцип: двухсторонний протяженный плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и короткой зоной ускорения - ДПП УЗДУ
2	Длина пучка ионов	1844 мм
3	Ширина пучка ионов	4 мм
4	Длина зоны ускорения ионов	8 мм
5	Ускоряющее напряжение	до 8 кВ
6	Плотность тока ионов	до 1×10-3 А/см2
7	Рассеиваемая мощность	до 7 кВт
8	Рабочее давление газа	2,6-6,6×10-1 Па
9	Рабочий газ	аргон, азот
10	Расходимость пучка	3°

Отсутствие в предлагаемом источнике ионов ионной оптики дает ему преимущество в сравнении с плазменными электростатическими ускорителями в плане применения в магнетронных системах напыления покрытий, в которых поперечные размеры распылительной системы имеют существенное значение.

1. Протяженный источник ионов с замкнутым дрейфом электронов содержит азимутально-замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный соосными с ним стенками внешнего и внутреннего магнитных полюсов и открытый на выходе, азимутально-замкнутый анод, размещенный в полости магнитопровода и ориентированный вдоль канала для образования с полюсами разрядной камеры пространства, а также средства для создания магнитного поля в азимутально-замкнутом канале, расположенные в полости магнитопровода, отличающийся тем, что магнитные полюса выполнены протяженными и формирующими азимутально-замкнутый канал вытянутым симметрично вдоль оси, перпендикулярной оси ускорения ионов, так что образуются два параллельно протяженных канала выпуска ионов, при этом средства для создания магнитного поля обеспечивают однородное магнитное поле, вектор индукции которого вдоль всего канала перпендикулярен направлению ускоряемого потока ионов.

2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что магнитные полюса и анод могут быть установлены таким образом, что их оси симметрии повернуты на 45° от нормали источника ионов, образуя протяженный азимутально-замкнутый канал выпуска ионов с эмиссионной поверхностью, развернутой на 45° по контуру, и обеспечивая формирование двух параллельных протяженных пучков ионов, развернутых по направлению на 90° относительно друг друга.

3. Источник ионов по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитные полюса являются корпусом источника ионов и одновременно катодом и находятся под потенциалом земли.

4. Источник ионов по п.1 или 2, отличающийся тем, что анод выполнен из полого алюминиевого профиля и имеет полость для подачи рабочего газа в разрядное пространство и полость для циркуляции жидкости охлаждения.

5. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что средства для создания магнитного поля выполнены в виде набора n-го количества постоянных магнитов, установленных азимутально-замкнуто по внешнему контуру магнитопровода и охватывающих внутренний магнитный полюс.

6. Источник ионов по п.5, отличающийся тем, что постоянные магниты представляют собой пластины различной величины прямоугольного сечения, выполненные из самарий-кобальтового сплава.

7. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что внутренняя часть магнитопровода выполнена с изоляцией для предотвращения горения разряда вне пространства анод-магнитные полюса.

8. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что внутренний и внешний магнитные полюса выполнены съемными и имеют отверстия для крепления в системе напыления.