RU2113538C1 - Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization - Google Patents
Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2113538C1 RU2113538C1 RU96113928A RU96113928A RU2113538C1 RU 2113538 C1 RU2113538 C1 RU 2113538C1 RU 96113928 A RU96113928 A RU 96113928A RU 96113928 A RU96113928 A RU 96113928A RU 2113538 C1 RU2113538 C1 RU 2113538C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- anode
- arc
- ions
- evaporator
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 title claims description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 37
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 abstract 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 5
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков и других материалов путем нанесения покрытий или изменения состава поверхностных слоев ионной имплантацией. The invention relates to technical physics, in particular to radiation materials science, and is intended to change the mechanical, chemical, electrophysical properties of the surface layers of metals, alloys, semiconductors, dielectrics and other materials by coating or changing the composition of the surface layers by ion implantation.
Известен способ ионной имплантации (см. авт. св. N 1412517, кл. H 01 J 37/317), заключающийся в следующем. С помощью импульсного вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы, из которой затем ускоряют ионы. Ускоренными ионами облучают образец, затем вновь генерируют импульсы плазмы и облучают образец потоком плазмы. Указанные операции повторяют многократно и поочередно. В данном способе плазменный поток компенсирует поток распыляемых под действием ионной бомбардировки атомов образца, что позволяет повысить в образце концентрацию имплантируемой примеси. Однако поочередное облучение образца ионами и плазмой приводит к осаждению на образце в промежутках между импульсами посторонних примесей. A known method of ion implantation (see ed. St. N 1412517, class H 01 J 37/317), which consists in the following. Using a pulsed vacuum-arc discharge, plasma pulses are generated, from which ions are then accelerated. The sample is irradiated with accelerated ions, then the plasma pulses are again generated and the sample is irradiated with a plasma stream. These operations are repeated repeatedly and alternately. In this method, the plasma flow compensates for the flow of sample atoms atomized by the ion bombardment, which makes it possible to increase the concentration of implantable impurities in the sample. However, alternating irradiation of the sample with ions and plasma leads to deposition of foreign impurities on the sample in the intervals between pulses.
Этот недостаток устранен в способе импульсно-периодической ионной и плазменной обработки (авт. св. N 1764335, кл. C 23 C 14/32). По этому способу также с помощью вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы и ускоряют ионы. В отличии от предыдущего способа в каждом импульсе генерации плазмы из нее ускоряют ионы и проводят облучение образца плазмой и ионами как одновременно, так и последовательно (сразу после окончания ионного облучения). Соотношение доз ионного и плазменного облучений регулируют соотношением длительностей импульсов генерации плазмы и ускорения ионов. Устройство для осуществления этого способа полностью аналогично предыдущему, только немного в ином режиме. This disadvantage is eliminated in the method of repetitively pulsed ionic and plasma treatment (ed. St. N 1764335, class C 23 C 14/32). According to this method, also using a vacuum arc discharge, plasma pulses are generated and ions are accelerated. In contrast to the previous method, in each pulse of plasma generation from it, ions are accelerated and the sample is irradiated with plasma and ions both simultaneously and sequentially (immediately after the end of ion irradiation). The ratio of the doses of ion and plasma irradiations is regulated by the ratio of the durations of the pulses of the plasma generation and the ion acceleration. The device for implementing this method is completely similar to the previous one, only in a slightly different mode.
Устройство содержит импульсный вакуумно-дуговой испаритель и систему ускорения ионов из плазмы испарителя. Вакуумно-дуговой испаритель представляет собой вакуумную камеру, в которой размещена коаксиальная система - катод и анод. Катод снабжен поджигающим электродом, между ним и катодом включен источник поджигающего напряжения (для зажигания дуги). Между анодом и катодом включен импульсный источник питания дугового разряда. На некотором расстоянии от анод-катодной системы расположен извлекающий электрод. Между ним и анодом включен импульсный источник ускоряющего напряжения. Источник питания дугового разряда и источник ускоряющего напряжения синхронизированы, при этом импульс питания дуги длиннее импульса ускоряющего напряжения. В результате в одном импульсе горения дуги происходит обработка как ионным пучком, так и плазмой после окончания действия импульса ускоряющего напряжения. The device comprises a pulsed vacuum-arc evaporator and an ion acceleration system from the plasma of the evaporator. The vacuum arc evaporator is a vacuum chamber in which a coaxial system is placed - the cathode and anode. The cathode is equipped with an ignition electrode; between it and the cathode a source of ignition voltage is connected (for ignition of the arc). Between the anode and the cathode, a pulsed arc source is turned on. At some distance from the anode-cathode system is a retrieval electrode. A pulse source of accelerating voltage is connected between it and the anode. The arc discharge power source and the accelerating voltage source are synchronized, while the arc power pulse is longer than the accelerating voltage pulse. As a result, in one arc burning pulse, both the ion beam and the plasma are processed after the action of the accelerating voltage pulse.
Данное устройство имеет низкий ресурс работы, определяемый двумя факторами. Во-первых, ресурс работы вакуумного дугового испарителя при его работе в импульсном режиме определяется разрушением элементов узла поджига. Во-вторых, за время длительности импульса горения дуги (а это время составляет сотни мкс) катодное пятно не успевает переместиться на значительное расстояние по поверхности катода, что ограничивает рабочую поверхность, а следовательно и рабочий объем катода. С импульсным характером процессов плазменного и ионного облучений связана и невысокая производительность ионно-плазменной обработки. Повышение ее за счет удлинения импульсов облучения приводит к появлению в процессе облучения в ионном и плазменном потоках микрокапельной фракции, а следовательно ухудшает качество обработки материалов. Таким образом по прежнему остается актуальной задача создания высокопроизводительного способа ионной и плазменной обработки изделий, реализуемого в установке с высоким ресурсом работы. This device has a low service life, determined by two factors. Firstly, the operating life of a vacuum arc evaporator during its operation in a pulsed mode is determined by the destruction of the ignition unit elements. Secondly, during the duration of the arc burning pulse (and this time is hundreds of microseconds), the cathode spot does not have time to move a considerable distance along the cathode surface, which limits the working surface, and therefore the working volume of the cathode. The pulsed nature of the processes of plasma and ion irradiation is associated with the low productivity of ion-plasma treatment. Its increase due to the lengthening of the irradiation pulses leads to the appearance of a microdroplet fraction in the ion and plasma flows in the process of irradiation, and consequently worsens the quality of processing materials. Thus, the task of creating a high-performance method for ion and plasma processing of products implemented in a plant with a high service life remains relevant.
Для решения этой задачи в способе импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия, как и в прототипе, производят генерацию плазмы с помощью вакуумно-дугового разряда и импульсно-периодическое ускорение из этой плазмы ионов. Затем многократно и поочередно облучают образец ускоренными ионами и плазмой с регулированием соотношения доз его облучения ионным потоком и плазмой. В отличие от прототипа генерацию плазмы осуществляют непрерывно, а соотношение доз облучения плазмой и ускоренными ионами регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряющего напряжения и изменением расстояния от источника до изделия. To solve this problem, in the method of pulse-periodic ion and plasma treatment of the product, as in the prototype, plasma is generated using a vacuum-arc discharge and pulse-periodic acceleration of ions from this plasma. Then, the sample is repeatedly and alternately irradiated with accelerated ions and plasma with adjustment of the dose ratio of its irradiation with ion flux and plasma. Unlike the prototype, plasma generation is carried out continuously, and the dose ratio of plasma and accelerated ions is controlled by changing the repetition rate, pulse duration of the accelerating voltage and changing the distance from the source to the product.
Устройство для осуществления способа, как и прототип, содержит вакуумно-дуговой испаритель и импульсную систему ускорения ионов из плазмы испарителя. Вакуумно-дуговой испаритель содержит размещенные в вакуумной камере коаксиальные катод и анод. Катод снабжен поджигающим электродом с источником поджига. Между катодом и анодом включен источник питания дуги. В отличие от прототипа вакуумно-дуговой испаритель выполнен с постоянным источником питания дуги для осуществления непрерывной генерации плазмы и снабжен средством для стабилизации горения непрерывной дуги и устройством очистки плазмы от микрокапельной фракции. A device for implementing the method, like the prototype, contains a vacuum arc evaporator and a pulse system for accelerating ions from the plasma of the evaporator. The vacuum arc evaporator contains a coaxial cathode and anode located in a vacuum chamber. The cathode is equipped with an ignition electrode with an ignition source. An arc power source is connected between the cathode and the anode. Unlike the prototype, the vacuum-arc evaporator is made with a constant arc power source for continuous plasma generation and is equipped with a means for stabilizing the continuous arc burning and a device for cleaning the plasma from the microdrop fraction.
Вакуумно-дуговой испаритель для реализации непрерывной генерации плазмы в самом общем случае в качестве источника питания дуги должен иметь постоянный источник питания. Кроме того, для стабилизации горения непрерывной дуги в анод-катодном зазоре необходимо наличие магнитного поля. В предлагаемом устройстве для этого на аноде расположены магнитные катушки с наружным экраном из магнитного материала, через обмотки которых к аноду подключен источник питания дуги, причем экран электрически соединен с анодом. Плазма непрерывного вакуумно-дугового испарителя содержит значительное количество микрокапельной фракции, атомарной и молекулярной компоненты, что значительно ухудшает качество обработки изделий. Поэтому вакуумно-дуговой испаритель необходимо снабдить устройством очистки плазмы вакуумно-дугового испарителя от микрокапель. Оно может быть выполнено по-разному. Можно использовать систему, описанную в (Аксенов И.И, Белоус В.В. и др. // Физика плазмы, т.4, вып. 4, 1978, с. 758). Ниже предложен еще один вариант системы очистки плазмы, наиболее простой и подходящий к конкретному устройству, сочетающему в себе как вакуумно-дуговой испаритель, так и источник ионов. Vacuum-arc evaporator for the implementation of continuous plasma generation in the most general case as a power source of the arc should have a constant power source. In addition, to stabilize the burning of a continuous arc in the anode-cathode gap, a magnetic field is required. In the proposed device for this, magnetic anodes are located on the anode with an outer screen made of magnetic material, through the windings of which an arc power source is connected to the anode, the screen being electrically connected to the anode. The plasma of a continuous vacuum-arc evaporator contains a significant amount of micro-droplet fraction, atomic and molecular components, which significantly affects the quality of processing products. Therefore, the vacuum-arc evaporator must be equipped with a device for cleaning the plasma of the vacuum-arc evaporator from microdrops. It can be done in different ways. You can use the system described in (Aksenov I.I., Belous V.V. et al. // Plasma Physics, vol. 4, issue 4, 1978, p. 758). Below is another version of a plasma cleaning system that is the simplest and most suitable for a particular device, combining both a vacuum arc evaporator and an ion source.
Устройство очистки плазмы расположено у открытого торца анода и представляет собой коаксиальную систему жалюзных электродов, выполненных в виде усеченных полых конусов, причем угол конусности выбран так, что форма каждого из электродов близка к форме силовых линий магнитного поля в месте расположения электродов и жалюзная система подключена к положительному выводу дополнительного источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду вакуумно-дугового испарителя. The plasma cleaning device is located at the open end of the anode and is a coaxial system of louver electrodes made in the form of truncated hollow cones, the taper angle being chosen so that the shape of each of the electrodes is close to the shape of the magnetic field lines at the location of the electrodes and the louver system is connected to the positive terminal of an additional voltage source, the second terminal of the vacuum-arc evaporator connected to the anode.
Устройство схематически изображено на чертеже. The device is schematically depicted in the drawing.
Устройство содержит катод 1, анод 2, поджигающий электрод 3, керамический изолятор с резистивным покрытием 4, магнитные катушки 5, конический жалюзный фильтр очистки плазмы от микрокапельной фракции 6, извлекающий электрод 7, электрод 8, импульсный источник питания поджига дуги 9, вакуумная камера напыления 10, постоянный источник питания дуги 11, дополнительный улавливатель микрочастиц 12, электростатический экран 13, образец 14, экран 15, магнитный экран 16, высоковольтный изолятор 17, внешний корпус источника 18, изолирующий наполнитель 19, импульсно-периодический источник ускоряющего напряжения 20, импульсно-периодический источник напряжения 21, электрод 22, источник напряжения смещения на жалюзной системе фильтра 6 очистки плазмы от микрокапельной фракции 23. The device contains a cathode 1, anode 2, an ignition electrode 3, a ceramic insulator with a resistive coating 4, magnetic coils 5, a conical louvre filter for cleaning the microdroplet fraction 6 from the plasma, an extracting electrode 7, electrode 8, a pulse power source for arc ignition 9, a vacuum spraying chamber 10, a constant arc power source 11, an additional trap of microparticles 12, an electrostatic screen 13, a sample 14, a screen 15, a magnetic screen 16, a high-voltage insulator 17, an external source housing 18, an insulating filler 19, a pulse a periodic source of accelerating voltage 20, a pulse-periodic voltage source 21, electrode 22, a bias voltage source on the louver system of the filter 6 for cleaning the plasma from the microdrop fraction 23.
Анод-катодный и поджигающий узлы вакуумно-дугового испарителя 1 - 4, а также источник питания поджига дуги 9 полностью аналогичны прототипу. Отличие от него составляет источник питания дуги 11, который выполнен постоянным. Снаружи анода 2 дополнительно установлены магнитные катушки 5, формирующие в анод-катодом зазоре магнитное поле, стабилизирующее горение постоянной дуги. Магнитные катушки 5 запитываются от источника питания дуги 11, для чего источник подключен к аноду 2 через обмотки этих катушек. Экран 16, выполненный из ферромагнитного материала, электрически соединен с анодом. Наличие экрана обеспечивает отсутствие магнитного поля в области между экраном 16 и внешним корпусом 18, что позволяет создавать значительные по величине ускоряющие поля между системой электродов 22 и 7, при подаче высоковольтного импульса от источника 20. Электростатический экран 13 исключает возможность появления катодного пятна на нерабочей поверхности катододержателя. Источники питания 9, 11, 23, а также все элементы конструкции источника плазмы расположены в одном экране 15, электрически связанным с анодом 2 для уменьшения паразитных емкостей между этими источниками и внешним экраном 18. Анод 2 и катод 1 охлаждаются прокачкой дистиллированной воды или керосина. Высоковольтный изолятор 17 электрически разделяют элементы конструкции источника плазмы от заземленного внешнего корпуса 18. Вблизи торцевой поверхности анода 2 установлен фильтр для очистки плазменного потока от микрокапельной фракции. Фильтр представляет собой жалюзийную систему электродов 6 из коаксиальных усеченных полых конусов. Каждая из образующих коаксиальных конусов выполнена в форме близкой к форме силовых линий магнитного поля, сформированного в области торца анода 2 магнитными катушками 5, в результате силовые линии магнитного поля параллельны поверхности жалюзных электродов 6. Конусы расположены таким образом, чтобы перекрыть прямой пролет микрочастиц с катода 1 в ускоряющий зазор. Все конусы электрически связаны между собой. На конический жалюзийный фильтр микрочастиц относительно анода 2 от источника 23 подается положительный потенциал. После конического жалюзного фильтра 6 со стороны ускоряющего зазора установлен электрод-сетка 22, электрически связанный с анодом 2 и геометрически повторяющий форму обращенного в его сторону торца конического фильтра. На некотором расстоянии от электрода 22 с вакуумным зазором компланарно установлен извлекающий электрод 7, а за ним заземленный электрод 8. Источник ускоряющего напряжения 20 включен между анодом 2 дугового испарителя и извлекающим электродом 7, причем положительный ускоряющий потенциал прикладывается к аноду 2 испарителя. Синхронно с ускоряющим напряжением к извлекающему электроду 7 подается импульс напряжения отрицательной полярности от источника 21. Пространство 19 заполнено жидким изолятором, например трансформаторным маслом, так как на узлы конструкции источника подаются высоковольтные импульсы ускоряющего напряжения. The anode-cathode and ignition nodes of the vacuum-arc evaporator 1 to 4, as well as the power source for ignition of the arc 9 are completely similar to the prototype. The difference from it is the power source of the arc 11, which is made constant. Outside of the anode 2, magnetic coils 5 are additionally installed, forming a magnetic field in the anode-cathode gap, which stabilizes the burning of a constant arc. Magnetic coils 5 are powered from the power source of the arc 11, for which the source is connected to the anode 2 through the windings of these coils. The screen 16, made of ferromagnetic material, is electrically connected to the anode. The presence of the screen ensures the absence of a magnetic field in the region between the screen 16 and the outer casing 18, which allows creating significant accelerating fields between the system of electrodes 22 and 7, when a high-voltage pulse is supplied from the source 20. The electrostatic screen 13 eliminates the possibility of a cathode spot appearing on an idle surface cathode holder. Power sources 9, 11, 23, as well as all the elements of the plasma source design are located in one screen 15, electrically connected to the anode 2 to reduce stray capacitance between these sources and the external screen 18. The anode 2 and cathode 1 are cooled by pumping distilled water or kerosene. The high-voltage insulator 17 electrically separates the elements of the plasma source from the grounded external casing 18. A filter is installed near the end surface of the anode 2 to clean the plasma stream from the micro-droplet fraction. The filter is a louvre system of electrodes 6 of coaxial truncated hollow cones. Each of the generators of the coaxial cones is made in the form close to the shape of the magnetic field lines formed in the region of the end of the anode 2 by magnetic coils 5; as a result, the magnetic field lines are parallel to the surface of the louver electrodes 6. The cones are arranged so as to block the direct passage of microparticles from the cathode 1 in the accelerating gap. All cones are electrically connected. A positive potential is applied to the conical louvre filter of microparticles relative to the anode 2 from the source 23. After the conical louvre filter 6, an electrode-grid 22 is installed on the side of the accelerating gap, electrically connected to the anode 2 and geometrically repeating the shape of the end of the conical filter facing it. At some distance from the electrode 22 with a vacuum gap, a pickup electrode 7 is mounted coplanarly, followed by a grounded electrode 8. An accelerating voltage source 20 is connected between the anode 2 of the arc evaporator and the pickup electrode 7, and a positive accelerating potential is applied to the anode 2 of the evaporator. Synchronously with the accelerating voltage, a voltage pulse of negative polarity is supplied to the extracting electrode 7 from the source 21. The space 19 is filled with a liquid insulator, for example, transformer oil, since high-voltage accelerating voltage pulses are supplied to the nodes of the source structure.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Вакуумную камеру напыления 10 откачивают до давления не хуже 10•3 Па. С источника поджига дуги 9 подают импульс напряжения через развязывающий трансформатор между катодом 1 и поджигающим электродом 3. В течение действия импульса нанесенная на изолятор 4 проводящая пленка испаряется и ионизируется. Между катодом 1 и поджигающим электродом 3 формируется импульсный дуговой разряд с катодным пятном на боковой поверхности катода 1. Плазма разряда, распространяясь в направлении, перпендикулярном поверхности катода 1, достигает анода 2. При достижении плазмой анода 2 между катодом 1 и анодом 2 формируется основной дуговой разряд. Питание разряда осуществляется источником постоянного напряжения 11. Протекание тока в электрической цепи источника 11 приводит к появлению тока в катушках 5, запитанных от того же источника через зазор катода 1, анода 2. Появление тока в катушках 5 вызывает появление магнитного поля между катодом 1 и анодом 2. В скрещенных электрическом и магнитном полях, существующих между катодом 1 и анодом 2, катодное пятно перемещается на торцевую поверхность катода 1. Формирующаяся плазма с торцевой поверхности катода распространяется в направлении торца анода 2 и соответственно в направлении системы очистки 6 плазменного потока от микрокапельной фракции и нейтральной компоненты плазмы. Так как прямой пролет через жалюзную систему 6 перекрыт электродами, то нейтральные компоненты плазмы и микрокапли осаждаются на жалюзных электродах. Жалюзная система 6 благодаря источнику постоянного напряжения 23 и наличию вблизи жалюзных электродов продольного магнитного поля имеет положительный относительно анода 2 потенциал. Положительные заряженные частицы плазмы отражаются от электродов жалюзной системы 6 и, следовательно, проходят в ускоряющее пространство между электродами 6 и 7. Небольшое количество микрокапель, отразившихся от жалюзей фильтра, улавливается дополнительным улавливателем микрочатиц 12. Он расположен между электродами 8 и обрабатываемым изделием и представляет собой трубку с системой ребер на внутренней поверхности. Плазменный поток формируется источником в непрерывном режиме и, проходя через систему электродов 6, 22, 7, 8, осаждается на образец 14. При подаче высоковольтного импульсного напряжения положительной полярности длительностью t от источника 20 на экраны 15 и 16 и, соответственно, анод 2 и электрод 22, в зазоре между электродами 22 и 7 возникает ускоряющая ионы разность потенциалов. Ионы из источника, проходя ускоряющий зазор, приобретают энергию Ei = ZeU, (где Z - зарядность иона, e - заряд электрона, U - разность потенциалов системы ускорения) и через электрод 8 поступают в вакуумную камеру напыления 10 и затем транспортируется до образца 14 и имплантируются в него. Для отсечки плазменных электронов в области транспортировки ионного пучка от ускоряющего зазора на электрод 7 относительно заземленного электрода 8 от источника питания 21 подают импульс напряжения отрицательной полярности. Длительность импульса отсечки плазменных электронов устанавливают равной или большей длительности импульса ускоряющего напряжения. Импульсы ускоряющего напряжения и напряжения отсечки плазменных электронов синхронизированы во времени. При выключенных источниках питания 20 и 21 на образец поступает очищенный от микрокапельной фракции непрерывный плазменный поток. При включении источников питания 20 и 21 образец облучается в течение импульса ускоряющего напряжения потоком ускоренных ионов. Соотношение потоков плазмы и ускоренных ионов на образец регулируют как за счет изменения частоты следования и длительности импульсов ускоряющего напряжения, так и за счет изменения расстояния от электродной системы 8 до образца 14. Во втором случае соотношение потока осажденных на образце ионов из плазмы и потока имплантируемых ионов изменяется из-за различных законов распространения плазмы и потока ускоренных ионов. Расширение ионного пучка зависит от системы электродов 7 и 8 и может быть незначительным. Свободное расширение плазмы сопровождается значительным уменьшением ее концентрации. Устройство, реализующее этот способ, обладает значительно большим ресурсом работы, чем устройство-прототип. Ресурс работы всего устройства зависит от ресурса узла поджига дугового разряда, который в предлагаемый способе и устройстве работает только в первый момент включения устройства, затем дуга горит непрерывно и из плазмы дуги периодически ускоряются ионы. The vacuum spraying chamber 10 is pumped out to a pressure no worse than 10 • 3 Pa. A voltage pulse is supplied from the ignition source of the arc 9 through an isolation transformer between the cathode 1 and the ignition electrode 3. During the action of the pulse, the conductive film deposited on the insulator 4 evaporates and ionizes. A pulse arc discharge is formed between the cathode 1 and the ignition electrode 3 with a cathode spot on the side surface of the cathode 1. The discharge plasma, propagating in the direction perpendicular to the surface of the cathode 1, reaches the anode 2. When the plasma reaches the anode 2 between the cathode 1 and the anode 2, the main arc is formed discharge. The discharge is powered by a constant voltage source 11. The current flowing in the electric circuit of the source 11 leads to the appearance of current in the coils 5, powered from the same source through the gap of the cathode 1, anode 2. The appearance of current in the coils 5 causes the appearance of a magnetic field between the cathode 1 and the anode 2. In the crossed electric and magnetic fields existing between the cathode 1 and the anode 2, the cathode spot moves to the end surface of the cathode 1. The forming plasma from the end surface of the cathode propagates in the direction of the end anode 2 and, accordingly, in the direction of the cleaning system 6 of the plasma stream from the microdrop fraction and the neutral plasma component. Since a direct passage through the louvre system 6 is blocked by electrodes, the neutral plasma components and microdrops are deposited on the louvre electrodes. The louvre system 6, due to the DC voltage source 23 and the presence of a longitudinal magnetic field near the louvre electrodes, has a potential positive relative to the anode 2. Positive charged plasma particles are reflected from the electrodes of the louvre system 6 and, therefore, pass into the accelerating space between the electrodes 6 and 7. A small number of microdroplets reflected from the louvres of the filter are captured by an additional trap of microparticles 12. It is located between the electrodes 8 and the workpiece and is tube with a system of ribs on the inner surface. The plasma flow is generated by the source in a continuous mode and, passing through the system of electrodes 6, 22, 7, 8, is deposited on sample 14. When a high-voltage pulse voltage of positive polarity of duration t from source 20 is applied to screens 15 and 16 and, accordingly, anode 2 and electrode 22, in the gap between the electrodes 22 and 7 there arises an ion-accelerating potential difference. Ions from the source, passing through the accelerating gap, acquire energy Ei = ZeU, (where Z is the charge of the ion, e is the charge of the electron, U is the potential difference of the acceleration system) and through the electrode 8 enter the vacuum deposition chamber 10 and then transported to sample 14 and are implanted in it. To cut off plasma electrons in the field of transportation of the ion beam from the accelerating gap to the electrode 7 relative to the grounded electrode 8 from the power source 21 serves a voltage pulse of negative polarity. The pulse duration of the cutoff of plasma electrons is set equal to or greater than the pulse duration of the accelerating voltage. The pulses of the accelerating voltage and the cutoff voltage of the plasma electrons are synchronized in time. When the power sources 20 and 21 are turned off, the continuous plasma stream purified from the microdroplet fraction enters the sample. When power sources 20 and 21 are turned on, the sample is irradiated during an accelerating voltage pulse with a stream of accelerated ions. The ratio of plasma flows and accelerated ions to the sample is controlled both by changing the repetition rate and duration of the accelerating voltage pulses, and by changing the distance from the electrode system 8 to the sample 14. In the second case, the ratio of the flux of ions deposited on the sample from the plasma and the flow of implanted ions varies due to different laws of plasma propagation and accelerated ion flux. The expansion of the ion beam depends on the system of electrodes 7 and 8 and may be insignificant. Free expansion of the plasma is accompanied by a significant decrease in its concentration. A device that implements this method has a significantly longer service life than the prototype device. The service life of the entire device depends on the resource of the ignition unit of the arc discharge, which in the proposed method and device only works at the first moment the device is turned on, then the arc burns continuously and ions are periodically accelerated from the plasma of the arc.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96113928A RU2113538C1 (en) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96113928A RU2113538C1 (en) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2113538C1 true RU2113538C1 (en) | 1998-06-20 |
| RU96113928A RU96113928A (en) | 1998-10-10 |
Family
ID=20183068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96113928A RU2113538C1 (en) | 1996-07-09 | 1996-07-09 | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2113538C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG111029A1 (en) * | 2000-09-18 | 2005-05-30 | Nissin Electric Co Ltd | Vacuum arc evaporator apparatus |
| RU2454485C1 (en) * | 2010-10-18 | 2012-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation |
| EA016703B1 (en) * | 2008-11-14 | 2012-06-29 | Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" | Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles |
| RU2486281C1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") | Method for surface modification of structural materials and details |
| RU2599587C1 (en) * | 2015-05-27 | 2016-10-10 | Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for application of diffusion coatings |
| RU2634101C2 (en) * | 2011-12-22 | 2017-10-23 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон,Ch | Low-temperature ion-arc sputtering |
| RU2637455C1 (en) * | 2016-10-10 | 2017-12-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product |
| CN108696979A (en) * | 2018-04-24 | 2018-10-23 | 台州学院 | A kind of plasma igniter |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1412517A1 (en) * | 1986-03-26 | 1990-09-07 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method of ion implantation |
| SU1764335A1 (en) * | 1989-12-20 | 1994-09-15 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method and device for pulse-periodic ion treatment of article |
-
1996
- 1996-07-09 RU RU96113928A patent/RU2113538C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1412517A1 (en) * | 1986-03-26 | 1990-09-07 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method of ion implantation |
| SU1764335A1 (en) * | 1989-12-20 | 1994-09-15 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова | Method and device for pulse-periodic ion treatment of article |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG111029A1 (en) * | 2000-09-18 | 2005-05-30 | Nissin Electric Co Ltd | Vacuum arc evaporator apparatus |
| EA016703B1 (en) * | 2008-11-14 | 2012-06-29 | Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" | Device for cleaning of arc evaporator plasma from uncharged micro- and macro- particles |
| RU2454485C1 (en) * | 2010-10-18 | 2012-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation |
| RU2634101C2 (en) * | 2011-12-22 | 2017-10-23 | Эрликон Серфиз Солюшнз Аг, Пфеффикон,Ch | Low-temperature ion-arc sputtering |
| RU2486281C1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") | Method for surface modification of structural materials and details |
| RU2599587C1 (en) * | 2015-05-27 | 2016-10-10 | Российская Федерация от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Device for application of diffusion coatings |
| RU2637455C1 (en) * | 2016-10-10 | 2017-12-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Method of pulse-periodic plasma coating formation with diffusion layer of molybdenum carbide on molybdenum product |
| CN108696979A (en) * | 2018-04-24 | 2018-10-23 | 台州学院 | A kind of plasma igniter |
| CN108696979B (en) * | 2018-04-24 | 2020-04-10 | 台州学院 | Plasma igniter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5289010A (en) | Ion purification for plasma ion implantation | |
| JP2648235B2 (en) | Ion gun | |
| KR960008925B1 (en) | High frequency ion source | |
| JP4511039B2 (en) | Metastable atom bombardment source | |
| EP1867221B1 (en) | Apparatus and process for generating, accelerating and propagating beams of electrons and plasma | |
| SE430293B (en) | PLASMA BAG GENERATOR, INCLUDING A CONSUMABLE CATHOD, A CYLINDRICAL ANOD AND A FOCUSING SOLENOID | |
| US4739170A (en) | Plasma generator | |
| RU2113538C1 (en) | Method of pulse-periodic ion and plasma treatment of product and device for its realization | |
| Ryabchikov | Repetitively pulsed vacuum arc ion and plasma sources and new methods of ion and ion-plasma treatment of materials | |
| JP6419078B2 (en) | Ion implantation apparatus having a plurality of plasma source parts | |
| JPH07501654A (en) | Charged particle acceleration method and particle accelerator | |
| Siemroth et al. | High-current arc—A new source for high-rate deposition | |
| EP0308680A1 (en) | Cathode sputtering apparatus | |
| RU2238999C1 (en) | Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings | |
| JPH11354068A (en) | Ion implantation apparatus, ion implantation method, and method of manufacturing semiconductor device | |
| RU2098512C1 (en) | Vacuum-arc plasma source | |
| Ryabchikov et al. | Sources and methods of repetitively pulsed ion/plasma material treatment | |
| RU2454485C1 (en) | Method of pulse-periodic ion treatment of metal ware, and device for its implementation | |
| RU2039849C1 (en) | Vacuum arc unit | |
| RU2070611C1 (en) | Pulse laser evaporator with ion separation | |
| RU2050654C1 (en) | Device for producing unipolar corona discharge | |
| JP2000306543A (en) | Ion implanter | |
| RU2037559C1 (en) | Method and apparatus to deposit coatings on pieces by ionic dispersion method | |
| DE2838676C2 (en) | ||
| WO2023178392A1 (en) | Method for purification of gas medium under atmospheric pressure, device for implementation of the method and ultrasonic emitter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100710 |