ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологических целях для имплантации ионов, электромагнитного разделения изотопов.

Известен эксплуатируемый на имплантаторах источник ионов с протяженным прямонакальным катодом, ось которого параллельна силовым линиям внешнего магнитного поля [1] .

Основные недостатки источника состоят в относительно небольшой плотности ионного тока, низком содержании одноразрядных ионов бора в пучке извлекаемых ионов и малом сроке службы катода.

Современный коммерческий источник ионов, широко используемый корпорацией США "Еаton" [2] , работающий в имплантаторе, содержит прямонакальный катод и электрод-отражатель, полую разрядную камеру с щелевым отверстием в ее крышке для экстракции ионов, изоляторы катода и электрода-отражателя. В этом источнике один вывод накала катода подсоединяется к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, а разрядная камера - к положительному полюсу. Катод в виде двухвитковой спирали изготавливают из вольфрамовой проволоки диаметром 2 мм, а электрод-отражатель представляет собой графитовую пластину. Оба конца катода и электрод-отражатель в источнике ионов изолированы от разрядной камеры с помощью восьми изоляторов на разрядное напряжение. Продольная ось разрядной камеры расположена в направлении силовых линий внешнего магнитного поля имплантатора. Источник работает в двух режимах дугового разряда: в осциллирующем и прямом. В первом электрод-отражатель электрически соединяется с катодом, во втором - с положительным полюсом источника напряжения.

Громоздкие изоляторы этого источника, вынужденные выдерживать разрядное напряжение, расположены в аксиальном направлении и занимают значительное пространство, сокращая эффективность использования межполюсного зазора магнита, ограничивая длину экстракционной щели. Используемый проволочный катод не может обеспечить однородность плотности плазмы по сечению разряда, что снижает концентрацию плазмы в экстракционной щели. Проволочные катоды не надежны в работе из-за возможного образования локального места с повышенной электронной эмиссией, приводящего к перегоранию катода. Плотность тока в пучке ускоренных ионов составляет 44 мА ˙ см^-2 при размерах экстракционной щели 0,2 ˙ 6 см², ток пучка ионов равен 52 мА. Длина щели в этом источнике составляет ≈45% от его высоты.

Техническим результатом является упрощение конструкции источника ионов, повышение надежности его работы, увеличение интенсивности и плотности ионного тока в пучке ускоренных ионов и срока службы источника ионов.

Технический результат достигается тем, что в источнике ионов, содержащем разрядную камеру с щелевым отверстием для экстракции ионов, направление вектора магнитной индукции в полости которой совпадает с продольной осью симметрии камеры, прямонакальный катод и электрод-отражатель, расположенные у противоположных торцовых поверхностей разрядной камеры и подключенные к источнику разрядного напряжения, электрический вывод накала катода и разрядная камера подключены к отрицательному полюсу источника напряжения, при этом в разрядной камере размещен электроизолированный анод, подключенный к положительному полюсу источника напряжения. Кроме того, в источнике ионов прямонакальный катод выполнен в виде элемента, припаянного к графитовой подложке, при этом катод и электрод-отражатель выполнены из материалов, более стойких к ионному распылению и химической эрозии, чем вольфрам, причем в источнике ионов форма анода и место его расположения в разрядной камере выбраны таким образом, чтобы вектор скорости дрейфа плазменных электронов в разрядной камере в скрещенных электрическом и магнитном полях был направлен в сторону щелевого отверстия для экстракции ионов.

На фиг. 1 показана разрядная камера источника ионов для работы в осциллирующем режиме дугового разряда; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 приведен пример зависимости величины тока в пучке ускоренных ионов этого источника от индукции внешнего поля; на фиг. 4 - разрядная камера источника ионов, предназначенного для работы в прямом режиме разряда; а на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4.

Источник ионов содержит полую разрядную камеру 1, крышку с экстракционной щелью 2, элемент прямонакального катода 3, припаянного к графитовой подложке 4 катода, графитовые держатели 5 подложки катода, в отверстиe которых с использованием пружинящих свойств графита для осуществления надежных контактов вставлены штифты-токопроводы подложки 4 катода, молибденовые токовыводы 6, завернутые в держатели катода, которые служат для подвода тока накала к катоду, один из них электрически соединен с разрядной камерой 1, а второй с помощью двух небольших керамических колец изолирован от нее на величину падения потенциала на катоде ( 4 В), электод-отражатель 7, соединенный с разрядной камерой, анод 8, проходной изолятор 9 анода, вывод 10 анода, металлический удлинитель 11, служащий для крепления катодного узла, гайки 12 для крепления, трубку 13 для подачи рабочего вещества в разрядную камеру ( - направление вектора внешнего магнитного поля, в котором работает источник). Для работы источника ионов в прямом режиме дугового разряда электрод-отражатель 7 изолируют от разрядной камеры 1, а чтобы подсоединить его к положительному полюсу источника напряжения, закрепляют его на конце анода 8 (фиг. 4 и 5).

Элемент катода 3, изготавливается из карбидов, нитридов и боридов циркония (ZrC, ZrN, ZrВ₂) разной формы, использованы катоды в виде цилиндра диаметром 10 мм, высотой от 4 до 12 мм, и тонкие катоды с размерами 14 ˙ 6 ˙ 1 мм³. У этих материалов, как было экспериментально установлено, скорость распыления ионами аргона при энергии 200 эВ ниже в 3 - 4 раза, чем у вольфрама, и они не подвержены химической эрозии при работе в источнике с ВF₃, N₂ и др. Элемент катода 3 припаивают в вакууме к графитовой подложке катода 4 цирконием, который в результате науглероживания превращается в карбид циркония, и на протяжении всего срока службы катода надежно передает тепловые потоки между подложкой и катодом. Электрод-отражатель 7 изготавливают из карбида циркония.

Анод изготавливают из тугоплавкого материала, например из молибдена или графита. В зависимости от предназначения источника ионов его размеры, форма и положение в разрядной камере могут изменяться. Например, в сечении он может иметь форму угольника или открытого желоба.

Поскольку источник ионов в имплантаторах работает в продольных магнитных полях В = (100 - 600) Гс, испытания источников проводились в этом же диапазоне. После достижения пригодных для работы вакуумных условий в источник подается рабочее вещество со скоростью подачи атм. см³мин^-1 по трубке 13, разрядное напряжение U_р и ток накала катода I_f, величина которого повышается до загорания разряда. Затем устанавливается выбранный ток разряда I_р и уменьшением тока накала катода устанавливают необходимое значение разрядного напряжения. Далее на электроды ионной оптики подают ускоряющее напряжение U_уск. и измеряют величину тока пучка ускоренных ионов I₁. После этого источник в течение многих часов работает стабильно и не требует регулировок. Низковольтный режим разряда в этом источнике ионов является наиболее перспективным для получения интенсивных пучков с преимущественным содержанием однозарядных ионов при большом сроке службы.

Образование общего потенциала разрядной камеры, катода и электрода-отражателя упрощает конструкцию источника и повышает эксплуатационную надежность, поскольку на разрядное напряжение изолирован только анод, оба изолятора которого, не занимая пространства в аксиальном направлении, находятся вдали от накаленного катода. Использование элемента катода с большой однородной поверхностью электронной эмиссии позволяет образовать равномерное распределение плотности разряда по его сечению и получить высокую концентрацию плазмы у экстракционной щели, при этом влияние потенциала анода дополнительно увеличивает ее концентрацию вследствие притока плазмы к щели поперек силовых линий внешнего магнитного поля. Это отчетливо видно в динамике зависимости величины I_i = f(В), представленной на фиг. 3. Использование более устойчивых к ионному распылению и химической эрозии материалов катода и электрода-отражателя позволяет в несколько раз повысить ресурс источника ионов. При сохранении аксиального размера источника ионов [2] использование изобретения позволяет увеличить длину щели в 1,5 раза (до 90 мм) и при В = 300 Гс и плотности ионного тока 110 мА. см. ^-2 ток в пучке ускоренных ионов из источника составит примерно 200 мА. , т. е, возрастет в 4 раза. (56) 1. P. H. Rose Тhe evolution of Ion sources for imрlanters. Rev. Sci Instrum, 1990, v 61, N 1, р. 342, fig 4.

2. Там же, р. 342, fig 3.

Использование: в технологических целях для имплантации ионов, электромагнитного разделения изотопов. Сущность изобретения: источник ионов выполнен в виде однопотенциального блока, состоящего из разрядной камеры с экстракционной щелью 2, прямонакального катода 3, припаянного к графитовой подложке 4, с графитовыми держателями 5 и токовыводами 6, и электрода-отражателя 7. Использование катода с развитой рабочей поверхностью позволяет получать вблизи экстракционной щели высокую концентрацию плазмы. Использование анода существенно увеличивает концентрацию плазмы за счет образования потока всех видов заряженных частиц, содержащихся в плазме, направленного к экстракционной щели поперек силовых линий внешнего магнитоного поля b без нарушения квазинейтральности плазмы. Данный эффект достигается за счет образования электронного холловского тока в e b полях. Использование катодов и электродов-отражателей, изготовленных из карбидов, нитридов и боридов циркония, более устойчивых к ионной бомбордировке и химической эрозии, чем вольфрам, позволяет повысить в несколько раз ресурс источника ионов, особенно при работе в низковольтных режимах разряда. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий разрядную камеру с щелевым отверстием для экстракции ионов, прямонакальный катод и электрод-отражатель, расположенные у противоположных торцевых поверхностей разрядной камеры и подключенные к источнику разрядного напряжения, и магнитную систему, создающую в полости разрядной камеры магнитное поле, вектор индукции которого совпадает с продольной осью симметрии камеры, отличающийся тем, что электрический вывод накала катода и разрядной камеры подключены к отрицательному полюсу источника напряжения, при этом в разрядной камере размещен электроизолированный анод, подключенный к положительному полюсу источника напряжения. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что прямонакальный катод выполнен в виде элемента, припаянного к графитовой подложке, при этом катод и электрод-отражатель выполнены из материалов более стойких к ионному распылению и химической эрозии, чем вольфрам. 3. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что форма анода и место его расположения в разрядной камере выбраны так, чтобы вектор скорости дрейфа электронов в разрядной камере в скрещенных электрическом и магнитном полях был направлен в сторону щелевого отверстия.