ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к области обработки изделий в вакуумной камере пучком большого сечения ионов или быстрых нейтральных молекул инертных или химически активных газов с целью очистки и повышения адгезии наносимых покрытий, распыления материалов, ионно-химического травления, полировки поверхности, а также для упрочнения и модификации поверхности имплантацией ускоренных частиц.

Известен источник ионов, в котором имитирующая ионы плазма образуется в тлеющем разряде с холодным полым катодом, образованным соединенными между собой электрически цилиндром, торцевой диафрагмой с центральным отверстием и эмиссионной стенкой с эмиссионными отверстиями на противоположном торце цилиндра. Анод разряда располагается снаружи полого катода вблизи отверстия в диафрагме [1] .

Недостатком такого источника является ограничение тока разряда, а, следовательно, и тока ионного пучка, переходами тлеющего разряда в дуговой, нарушающими однородность пучка, его массовый состав и приводящими к пробою ускоряющего промежутка.

Наиболее близок по технической сущности к изобретению - источник ионов, содержащий установленные внутри герметического корпуса эмиссионную сетку, чашеобразный холодный полый катод, открытый в направлении сетки, и анод, соединенный с положительным полюсом источника разрядного напряжения. Полый катод выполнен в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов, соединенных с отрицательным полюсом источника разрядного напряжения через отдельные резисторы. Это исключает переход тлеющего разряда в дугу при больших разрядных точках. Катодные элементы устанавливаются с изоляционными зазорами между ними на отдельных изолированных друг от друга катододержателях, установленных на керамических изоляторах между полым катодом и задней стенкой корпуса [2] .

Недостаток источника состоит в ограниченном сроке службы из-за распыления стенок корпуса и других конструктивных элементов поступающими через зазоры между катодными элементами из плазмы внутри полого катода ионами, ускоренными приложенным между анодом и корпусом напряжением, а также из-за поступления через зазоры на керамические изоляторы распыленного материала катодных элементов и материала обрабатываемых ионным пучком изделий, поступающего из технологической вакуумной камеры в полый катод через эмиссионную сетку высокой прозрачности. Запыление изоляторов приводит к электрическим пробоям и требует их периодической замены.

Цель изобретения - увеличение срока службы источника ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в источнике ионов, содержащем корпус, эмиссионную сетку, установленные внутри корпуса анод и открытый в направлении сетки полый катод, выполненный в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов, подключенных к системе электропитания, согласно изобретению один из соседних катодных элементов в любой смежной паре расположен с частичным охватом наружной поверхности другого с зазором между охватываемой и охватывающей поверхностями, при этом величина указанного зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой внутри него.

Система электропитания может содержать по меньшей мере, один источник разрядного напряжения, соединенный соответствующими полюсами с анодом и катодными элементами.

Система электропитания в другом варианте может содержать по меньшей мере два источника разрядного напряжения, отрицательный полюс каждого из которых соединен по меньшей мере с одним катодным элементом.

Целесообразна конструкция источника ионов, в котором каждый катодный элемент соединен с источником разрядного напряжения через отдельный резистор.

Расположение соседних элементов полого катода с частичным охватом одного наружной поверхности другого с зазором между охватываемой и охватывающей поверхностями, величиною, не превышающей удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой внутри него, исключает проникновение разрядной плазмы и эмитируемых с ее границы ионов в зазоры, а в результате исключает распыление корпуса и конструктивных элементов, расположенных между катодом и корпусом, ускоренными ионами и загрязнение изоляторов. Охват одних катодных элементов другими также перекрывает путь потокам материала распыляемых катодных элементов и материала обхватываемых пучком в рабочей технологической камере изделий. Все это предохраняет изоляторы от запыления и электрических пробоев. В результате увеличивается срок службы источника.

При подключении катодных элементов к отрицательным полюсам нескольких источников разрядного напряжения, возможно использовать источники с ограниченным током, не превышающим минимального тока устойчивого горения вакуумной дуги. Это исключает переход сильноточного тлеющего разряда с полым катодом в дугу и позволяет, увеличивая число катодных элементов и источников разрядного напряжения, практически неограниченно повышать ток тлеющего разряда, а следовательно, и ток ионного пучка.

При использовании источников разрядного напряжения с током, превышающим минимальный ток устойчивого горения вакуумной дуги I_о, соединение с ними катодных элементов через отдельные резисторы с сопротивлением R > U_р/I_о, где U_р - максимальное напряжение источника, также исключает переход тлеющего разряда в дугу при сколь угодно больших токах разряда и ионного пучка.

На фиг. 1 показан источник ионов с системой электропитания, включающей один источник разрядного напряжения; на фиг. 2 - источник ионов с системой электропитания, включающей два источника разрядного напряжения, источник ускоряющего напряжения и источник сеточного напряжения.

Источник ионов содержит установленный на окне (люке) вакуумной камеры 1 герметичный корпус 2, внутри которого установлены эмиссионная кассета 3, анод 4 и открытый в направлении сетки полый катод, например, в форме параллелепипеда, выполненный в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов 5, 6, 7, например, торцовых 5 и П-образных 6, 7, резисторы 8, источник 9 разрядного напряжения.

Источник ионов (фиг. 2) содержит дополнительный источник 9 разрядного напряжения, источник 10 ускоряющего напряжения и источник 11 сеточного напряжения.

Один из соседних катодных элементов (5 или 7) расположен с частичным охватом наружной поверхности другого (6) с зазором 12 между охватываемой и охватывающей поверхностями, причем ширина зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя 13 объемного положительного заряда между катодом и плазмой 14 внутри него. Катодные элементы крепятся на отдельных катододержателях, установленных на изоляторах между полым катодом и стенкой корпуса (не показаны).

Источник работает следующим образом. Вакуумная камера 1 с установленным на ней источником ионов откачивается до давления ≈10-3 Па. Подачей ионообразующего газа в ионном источнике устанавливают рабочее давление ≈10-1 Па. Между анодом 4 и катодными элементами 5, 6, 7 прикладывают напряжение в несколько сотен вольт от источников 9 разрядного напряжения. В устройстве по фиг. 2 также от источника 10 ускоряющего напряжения на анод 4 подают относительно камеры 1 высокое напряжение, а от источника 11 сеточного напряжения на сетку 3 подают напряжение отрицательной полярности. Далее инжекцией плазмы из поджигающего устройства в полый катод инициируют стационарный разряд между анодом и катодом. В результате полый катод заполняется однородной плазмой 14, эмитирующей ионы на катод, на сетку и через отверстие в ней - в вакуумную камеру на обрабатываемые изделия.

В источнике (фиг. 2) энергия ионов, поступающих через ячейки сетки в вакуумную камеру на обрабатываемые изделия, соответствует высокому ускоряющему напряжению источника 10. При этом отрицательное напряжение на сетке от источника 11 блокирует поступление в полый катод из вакуумной камеры встречного электронного пучка. Это предохраняет катод от перегрева и повышает КПД источника ионов. Эмиссия ионов через зазоры между катодными элементами отсутствует из-за охвата одних катодных элементов другими с достаточно малой шириной зазора между их взаимообращенными охватываемой и охватывающей поверхностями. Через отверстия сетки в полый катод из камеры поступает материал распыляемых пучком изделий. Катод непрерывно очищается от загрязнений ионами из плазмы. Поступление материала катода и обрабатываемых изделий через зазоры практически полностью блокируется перекрытием соседних катодных элементов, один из которых охватывает другой.

Приведен пример конкретного исполнения источника пучка ионов прямоугольного сечения 20 x25 см², вытягиваемого из однородной плазмы полого катода длиной 25 см, шириной 20 см и высотой 10 см. Конструкция катода соответствует фиг. 1. Он содержит два торцовых и пять П-образных катодов. Нечетные П-образные катоды длиной по 5 см - охватываемые, четные - охватывающие, длиною по 8 см. Торцовые катоды имеют отбортовку, охватывающую крайние П-образные катоды, длиной ≈1,5 см. Центральная зона внешней поверхности каждого охватываемого катода шириною 2 см открыта и достаточна для их установки на катододержателях. Максимальная плотность тока ионов на катоде равна плотности тока на сетке и при токе пучка 2А и токе ускоренных ионов в цепи сетки 0,5А (прозрачность сетки 80% ) составляет 5мА/см². При использовании аргона в качестве ионообразующего газа указанной плотности тока при разрядном напряжении 400В соответствует минимальная ширина слоя между катодом и плазмой внутри него, равная согласно закону "трех вторых" 1,2 мм. Поэтому ширина зазора между охватываемыми и охватывающими катодными элементами, равная 2 мм, меньше удвоенной ширины слоя и исключает проникновение плазмы в зазоры. Контактирующие с плазмой поверхности всех катодов имеют одинаковые площади: по 200 см² и в цепи каждого протекает максимальный ток 1А. Общий ток в цепи катода 7А, а ток в цепи анода 9,5А. При максимальном напряжении источника разрядного напряжения 600В, разрядном напряжении 400В и минимальном токе устойчивого горения вакуумной дуги для катодных элементов из нержавеющей стали I_о = 5А соединение катодных элементов с источниками разрядного напряжения через резисторы сопротивлением по 200 Ом ограничивает ток в цепи отдельного элемента величиной 600В/200 Ом = 3А < i_о, что исключает переход тлеющего разряда в дугу. Если источник с одинаковыми П-образными катодами и зазорами, позволяющими ионам бомбардировать конструктивные элементы за катодом, требует замены керамических изоляторов через 20-30 ч работы, то срок службы источника ионов с охватывающими и охватываемыми катодными элементами составляет сотни часов и определяется в основном толщиной распыляемой эмиссионной сетки.

Предлагаемый источник отличается повышенными надежностью и сроком службы, а также позволяет обеспечить дугозащищенность секционированного полого катода без джоулевых потерь в резисторах при соединении катодных элементов с отдельными источниками разрядного напряжения с ограниченными токами, меньшими минимального тока устойчивого горения вакуумной дуги. (56) 1. Стогний А. И. и др. Исследование эмиссии ионов из самостоятельного разряда низкого давления без магнитного поля. VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Томск. ИСЭСО АН СССР, 1986, ч. 1, с. 52-54, рис. 1.

2. Метель А. С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. Сб. : Плазменная эмиссионная электроника. Тезисы докладов Улан-Удэ. Бурятский институт естественных наук СО АН СССР, 1991, с. 77-81, рис. 2.

Использование: для обработки изделий в вакуумной камере пучком большего сечения ионов или быстрых нейтральных молекул инертных и химически активных газов с целью очистки и повышения адгезии наносимых покрытий, распыления материалов, ионно-химического травления, полировки поверхности, а также с целью упрочнения и модификации поверхности имплантацией ускоренных частиц. Сущность изобретения: полый катод газоразрядной камеры источника ионов выполнен в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов. Один из соседних катодных элементов в любой смежной паре расположен с частичным охватом другого с зазором между их взаимообращенными поверхностями. Величина зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой, образующейся в его полости. Указанное расположение катодных элементов исключает проникновение разрядной плазмы и эмиттируемых с ее границы ионов в зазоры между катодными элементами. Следовательно, исключается распыление корпуса газоразрядной камеры и ее конструктивных элементов, расположенных между катодом и корпусом, ускоренными ионами. В результате не происходит запыления металлом изоляторов и увеличивается срок службы источника ионов. Каждый катодный элемент может быть соединен с источником разрядного напряжения через отдельный резистор. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий корпус, эмиссионную сетку, установленный внутри корпуса анод и открытый в направлении сетки полый катод, выполненный в виде набора отдельных электроизолированных друг от друга катодных элементов, подключенных к системе электропитания, отличающийся тем, что один из соседних катодных элементов в любой смежной паре расположен с частичным охватом наружной поверхности другого с зазором между охватываемой и охватывающей поверхностями катодных элементов, при этом величина зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой, образующейся в его полости. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что система электропитания содержит по меньшей мере один источник разрядного напряжения, соединенный соответствующими полюсами с анодом и катодными элементами. 3. Источник по п. 2, отличающийся тем, что система электропитания содержит по меньшей мере два источника разрядного напряжения, отрицательный полюс каждого из которых соединен по меньшей мере с одним катодным элементом. 4. Источник по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что каждый катодный элемент соединен с источником разрядного напряжения через отдельный резистор.