| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2088056
ГЕНЕРАТОР атомарний водень
Ім'я винахідника: Кагадій В.А .; Проскуровський Д.И .; Троян О.Е.
Ім'я патентовласника: Державна науково-виробниче підприємство "НІІПП"
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1993.05.07
Використання: в технології мікроелектроніки для генерації атомарного водню на основі газового розряду постійного струму. Суть винаходу: збільшення ефективності отримання атомарного водню досягається шляхом об'єднання в одному пристрої різних механізмів дисоціації молекулярного водню, а й збільшення концентрації електронів в плазмі газового розряду. Струм розряду становить 1 - 2 А, напруга горіння -50 - 100 В, тиск водню в розряді-більше 4 · 10 -2 Торр. Генератор містить пристрій, що створює магнітне поле для горіння пеннінговского газового розряду в розрядної камері. Для збільшення обсягу області генерації з щільною плазмою порожнистий катод проникає в порожнину циліндричного анода. В результаті між зовнішньою поверхнею полого катода і внутрішньою поверхнею анода додатково ініціюється магнетронний розряд.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до технології мікроелектроніки, а саме до пристроїв для отримання хімічно активних частинок, а ще точніше, до генераторам атомарного водню.
Генератори хімічно активних частинок широко використовуються при виробництві виробів мікроелектроніки. Так обробка Si, Ge, GaAs, InP і інших напівпровідників атомарним воднем з успіхом застосовується для очищення підкладок з метою отримання атомарному чистої впорядкованої поверхні, для пасивації носіїв і дефектів, що лежать на глибоких рівнях [1 3]
Відомий генератор атомарного водню [4] в якому використовується шляхом утворення, розігріта до Т 2000 o C. Молекулярний водень, напускають в вакуумну камеру, термічно дисоціює на розжареній нитки. При цьому вихід атомарного водню становить близько 0,1% від загальної кількості газу, що подається. Недоліком даного генератора є низька продуктивність і ефективність отримання атомарного водню.
Відомий генератор атомарного водню на основі НВЧ-газового розряду в умовах електронного циклотронного резонансу [5] Продуктивність і ефективність отримання атомарного водню в таких джерелах високі. Основним недоліком даного генератора є його висока вартість і складність.
Відомий генератор атомарного водню, найбільш близький до пропонованого технічного рішення і обраний нами як прототип [6] в якому генерація атомарного водню відбувається в розряді постійного струму. Разрядная камера при цьому складається з полого водоохолоджуваного катода 1 (див. Фіг. 1) і дискового анода 2 з емісійним отвором 4 діаметром 2,5 мм, розділених циліндричним ізолятором 3. Напруга горіння розряду U p становить 600 В, а струм розряду I p 0,1 А. Тиск водню в розрядної камері близько P 3 · 10 -1 Торр. Гідність даного генератора полягає в його простоті. Основні недоліки генератора полягають в наступному.
1. Невисока продуктивність отримання атомарного водню внаслідок малого розрядного струму.
2. Висока напруга горіння розряду, що призводить до неефективності роботи генератора. Велика енергія іонів в розряді сприяє ерозії катода і збільшує ймовірність радіаційного пошкодження підкладки протонами.
3. Високий тиск водню в розрядної камері і, як наслідок, в зоні обробки.
Метою даного винаходу є удосконалення конструкції генератора для збільшення продуктивності і ефективності отримання атомарного водню. Збільшення виходу атомарного водню з генератора і, отже, зростання його концентрації в зоні обробки призводять до підвищення ефективності і скорочення часу технологічної операції. Крім того, це дозволяє проводити очищення поверхні підкладки в умовах стандартного технологічного вакууму (~ 10 -6 Торр), тоді як при малих концентраціях атомарного водню необхідно підтримувати вакуум на рівні (10 -7 10 -9 Торр) [7]
Поставлена мета досягається тим, що пропонований генератор містить пристрій, що створює магнітне поле, що забезпечує горіння пенінговского газового розряду в розрядної камері, утвореною послідовно розташованими і мають загальну вісь симетрії теплоізольованим тонкостінних порожнистим катодом, циліндровим анодом і відбивних / плоским / катодом, виконаним з магнітного матеріалу і мають емісійне отвір. З метою збільшення обсягу області генерації з щільною плазмою порожнистий катод проникає в порожнину циліндричного анода. В результаті цього між зовнішньою поверхнею полого катода і внутрішньою поверхнею анода додатково ініціюється магнетронний розряд.
 |
 |
Конструкція запропонованого генератора зображена на фіг. 2 і являє собою осесиметричних систему, що складається з тонкостінного теплоізольованого катода 1, циліндричного анода 2, плоского катода 4 і пристрою, що створює магнітне поле 5. Електроди 1, 2, 4 розділені циліндричними ізоляторами 3. Емісійне отвір 6 виконано в плоскому катоді. Тримач тонкостенного теплоізольованого полого катода, анод і плоский катод мають примусове водяне охолодження. Електричне живлення генератора здійснюється від високовольтного джерела постійного струму. Газове харчування здійснюється через натекатель, що дозволяє регулювати тиск газу в розрядної камері.
Конструкція пристрою розроблена на наступних відомих і встановлених авторами експериментально фактах. Розкладання молекулярного водню на атомарний може відбуватися за допомогою термо- або фотодиссоциации, а й дисоціації електронним ударом. Останній процес найбільш ефективний, тому дисоціація в газовому розряді є кращим способом отримання атомарного водню. Зростання концентрації електронів в плазмі, тобто струму розряду, є основним механізмом, що дозволяє значно збільшити вихід атомарного водню. Збільшення часу життя електронів (тобто довжини пробігу до потрапляння на електрод або рекомбінації) і вибір їх оптимальної енергії (тобто напруги горіння розряду) і призводить до зростання концентрації атомарного водню в плазмі. Наявність розжарених деталей в зоні розряду і випромінювання розрядом фотонів додатково збільшують ступінь дисоціації водню.
Експериментально авторами встановлено, що пропонована геометрія розрядної камери призводить до збільшення продуктивності та ефективності отримання атомарного водню за допомогою всіх вищевказаних механізмів. Збільшення концентрації електронів в плазмі газового розряду відбувається за рахунок виникнення термоеміссіі електронів з тонкостінного теплоізольованого полого катода. Під дією протікає по ньому розрядного струму він саморазогревается до високих температур (~ 2000 o C). Емісія електронів в плазму призводить до збільшення струму розряду до декількох ампер і зниження напруги горіння розряду до U p ~ 50 100 В (див. Вольт амперну характеристику розряду, наведену на фіг. 3). Введення частини полого катода в порожнину циліндричного анода сприяє утворенню додаткового об'єму з щільною плазмою, в якому відбувається ефективна генерація атомарного водню. Ця плазма збуджується між зовнішньою стороною полого катода, введеного в порожнину анода, і внутрішньою стороною циліндричного анода внаслідок ініціації між цими електродами магнетронного розряду. Крім прямого збільшення струму розряду і, отже, кількості диссоциированного водню, магнетронний розряд призводить до додаткового розігріву теплоізольованого полого катода. Зростання часу життя електронів в розряді відбувається за рахунок подовження траєкторії їх руху в схрещених магнітному та електричному полях і осциляції електронів між двома катодами. Термодіссоціація водню на розжареному тонкостінному теплоизолированном підлогою катоді і додаткова фотодисоціація, що виникає внаслідок збільшення щільності плазми і, отже, світіння розряду, і призводить до збільшення ступеня дисоціації молекулярного водню. Оцінки показують, що кількість атомарного водню по відношенню до загальної кількості напускає в камеру молекулярного водню може досягати десяти відсотків.
Таким чином, пропонований генератор дозволяє збільшити струм розряду по відношенню до устройству- прототипу не менше ніж в 30 разів, при цьому споживана потужність зростає тільки в 5 разів. З огляду на, що струм розряду безпосередньо пов'язаний з виходом атомарного водню, можна зробити висновок, що пропонований пристрій значно підвищує продуктивність отримання атомарних частинок. Вважаючи, що ефективність отримання атомарного водню дорівнює відношенню струму розряду до вкладається в розряд електричної потужності, можна показати, що пропонований пристрій дозволяє збільшити ефективність отримання атомарних частинок в кілька разів.
Зниження напруги горіння розряду в ~ 6 разів у порівнянні з устройством- прототипом дозволяє збільшити термін служби електродів розрядної комірки за рахунок зниження їх розпилення іонами водню, значно зменшує ймовірність радіаційного пошкодження оброблюваної підкладки іонами, що вийшли з розряду, і збільшує ефективність роботи пристрою.
У пропонованому пристрої функціонування розряду забезпечується в широкому діапазоні тисків водню в розрядної камері від P ~ 4 · 10 -1 Торр (що реалізується і в пристрої, обраному за прототип) до P ~ 4 · 10 -2 Торр, що нижче мінімального тиску, при якому можлива робота прототипу. Зменшення мінімального тиску водню в розряді призводить до істотного збільшення гнучкості технологічного процесу обробки напівпровідникових підкладок і дозволяє проводити її при тиску в зоні обробки P ~ 1 · 10 -4 Торр. Згідно з літературними даними [1, 4] це значення близьке до оптимального тиску для проведення очищення поверхні напівпровідників. Крім того, робота генератора при тиску газу в розряді P ~ 4 · 10 -2 Торр призводить до скорочення витрат водню.
Управління продуктивністю генератора атомарного водню і, отже, параметрами технологічного процесу обробки напівпровідникової підкладки проводиться за допомогою зміни розрядного струму і величини потоку водню, що надходить в розрядну камеру.
Тонкостінний теплоізольований катод виготовляється з тугоплавких металів, слабо реагують з воднем (наприклад, Re, W). Товщина стінок катода визначається, з одного боку, його механічну міцність, а з іншого можливістю безінерційного ефективного нагріву катода протікає по ньому розрядним струмом. Експерименти показали, що товщина d 100 мкм цілком задовольняє цим вимогам.
Тримач тонкостенного теплоізольованого катода і плоский катод, з метою концентрації магнітного поля в області горіння розряду, виготовляються з магнітних металів. Наприклад, можна використовувати Ст3, 30Х13 та ін. Циліндричний анод виготовляється з немагнітного матеріалу. Найкраще для цієї мети підходить нержавіюча сталь 12Х18Н10Т. Величина магнітного поля повинна, з одного боку, ефективно збільшувати довжину траєкторії електрона в плазмі, а з іншого бути не більше величини, вище якої щільність плазми вже практично не змінюється, а витрати на отримання такого магнітного поля зростають. Найбільш просто для створення магнітного поля використовувати постійні магніти. Магніти на основі сплаву самарію і кобальту, що забезпечують магнітну індукцію 0,1 0,12 Тл, відповідають вищенаведеним вимогам. Розмір емісійного отвору в плоскому катоді визначається перепадом тиску, який необхідно отримати між розрядної камерою і зоною обробки напівпровідникової підкладки. Зазвичай цей розмір становить 1 - 3 мм.
Нижче для ілюстрації ефектів, вироблених вводяться ознаками, наведено приклад, описаний з посиланнями на креслення.
приклад
Отримання атомарного водню проводилося за допомогою генератора, представленого на Фіг. 2. Тонкостінний теплоізольований порожнистий катод 1, виготовлений з вольфрамової фольги товщиною 100 мкм, проникав в порожнину циліндричного анода 2 на довжину, рівну половині довжини анода. При подачі напруги на електроди в області 7 загорявся пеннінговскій відбивний розряд з порожнистим катодом, а в області 8 -магнетронний розряд. Після включення джерела живлення генератора розігрів полого катода до максимальної температури і вихід генератора на режим відбувався за протягом 1 3 с. Характерна вольт-амперна характеристика (ВАХ) розряду приведена на Фіг. 3. З порівняння режимів роботи пристрою-прототипу і даного генератора видно, що використання запропонованого пристрою дозволяє збільшити розрядний струм в ~ 30 разів при одночасному зниженні напруги горіння в ~ 6 разів. Потужність при цьому зросла тільки в 5 разів. Існування падаючого ділянки ВАХ обумовлено термоеміссія електронів з тонкостінного теплоізольованого катода, температура якого зростає при збільшенні розрядного струму.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Генератор атомарного водню на основі газового розряду, до складу якого входить розрядна камера з емісійним отвором, що містить систему електродів із загальною віссю симетрії, що включає анод і порожнистий катод, що відрізняється тим, що він містить пристрій, що створює магнітне поле, що забезпечує горіння пеннінговского розряду в камері , додатковий відбивний катод, виконаний з магнітного матеріалу, при цьому анод виконаний циліндричним і розташований між порожнистим і відбивних катодом, емісійне отвір виконано в відбивної катоді, а порожнистий катод виконаний тонкостінних і теплоізольованим і частково введений в порожнину циліндричного катода.
Версія для друку
Дата публікації 04.01.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.