ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J27/04 H01J37/08 

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

Известен источник ионов имплантера с прямонакальным вольфрамовым катодом и электродом-отражателем, расположенными у торцов разрядной камеры, работающий в продольном магнитном поле. Катод и электрод-отражатель изолированы от разрядной камеры. Источник работает в двух режимах дугового разряда: а) с осцилляцией электронов и б) в прямом режиме разряда, когда электрод-отражатель соединен электрически с положительным полюсом источника разрядного напряжения [1]
К недостаткам источника ионов относятся: малый срок службы прямонакального проволочного катода и небольшая плотность тока в пучке ускоренных ионов, извлекаемых из ионного источника.

Ближайшим техническим решением к предложенному является источник ионов, работающий во внешнем магнитном поле, силовые линии которого совпадают с направлением оси его разрядной камеры, содержащей в ее крышке экстракционную щель. Подогревный катод, элемент которого, изготовленный из тугоплавких металлов, нагревается электронной бомбардировкой с нити вспомогательного катода, и электрод-отражатель расположены у открытых противоположных торцевых поверхностей разрядной камеры [2] Источник ионов работает в двух режимах дугового разряда: а) в осциллирующем режиме разряда, когда электрод-отражатель электрически соединен с катодом для отражения первичных электронов, эмиттированных катодом, и подсоединен к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, при этом положительный полюс его подсоединен к разрядной камере; б) в прямом режиме разряда, когда электрод-отражатель подсоединен к положительному полюсу источника разрядного напряжения для сбора первичных электронов, эмиттированных катодом.

Недостатками этого источника являются: отсутствие герметизации разрядной камеры по торцам, снижающее эффективность использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру, и использование тугоплавких металлов (вольфрам, тантал) в качестве материала элемента катода. Характерная для них высокая работа выхода электронов вызывает необходимость в поддержании большой мощности накала катода, а высокие степень эрозии в химически активных средах и коэффициент ионного распыления снижают долговечность катодов.

Техническим результатом при использовании источника ионов является упрощение конструкции источника ионов, повышение надежности его работы, увеличение интенсивности и плотности ионного тока в пучке ускоренных ионов и срока службы источника ионов, снижение энергозатрат на нагревание катода и увеличение эффективности использования рабочего вещества подаваемого в разрядную камеру источника ионов.

Технический результат достигается тем, что в источнике ионов, содержащем разрядную камеру с щелевым отверстием для экстракции ионов, направление вектора внешней магнитной индукции в полости которой совпадает с продольной осью симметрии камеры, подогревный катод, нагреваемый электронной бомбардировкой с нити вспомогательного катода, и электрод-отражатель, расположенные у противоположных торцевых поверхностей разрядной камеры и подключенные к источнику разрядного напряжения, подогревный катод и разрядная камера подключены к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, при этом в разрядной камере размещен электроизолированный анод, подключенный к положительному полюсу источника разрядного напряжения, форма анода и место его расположения в разрядной камере выбраны таким образом, чтобы вектор скорости дрейфа плазменных электронов в разрядной камере V_д= [x] в скрещенных электрическом и магнитном полях был направлен в сторону щелевого отверстия для экстракции ионов, где направление вектора электрического поля, создаваемого поверхностью анода, обращенной к оси плазменного столба разряда, вектор магнитной индукции внешнего поля, кроме того, подогревный катод выполнен в виде элемента, припаянного к подложке из тугоплавкого материала, при этом элемент катода и электрод-отражатель выполнены из материалов, более стойких к ионному распылению, чем вольфрам, а электрод-отражатель электроизолирован от разрядной камеры и подключен к положительному полюсу источника разрядного напряжения.

На фиг. 1 изображен продольный осевой разрез разрядной камеры источника ионов, предназначенного для работы в осциллирующем режиме дугового разряда; на фиг. 2 то же, поперечный разрез по А-А; на фиг. 3 продольный осевой разрез разрядной камеры для использования источников ионов в прямом режиме дугового разряда; на фиг. 4 показана зависимость величины тока в пучке ускоренных ионов источника от индукции внешнего магнитного поля.

Источник ионов (фиг. 1 и 2) содержит полую разрядную камеру 1, крышку 2 с экстракционной щелью, элемент катода 3, припаянного к подложке 4 катода, нить 5 вспомогательного катода, электрод-отражатель 6 под потенциалом разрядной камеры, анод 7, изолятор 8 анода, вывод 9 анода, трубку 10 для подачи рабочего вещества в разрядную камеру, электрод-отражатель 11 (фиг. 3), изолированный от разрядной камеры, изолятор 12 и вывод 13. направление вектора внешнего магнитного поля, в котором работает источник ионов. Элемент катода 3 изготавливают из карбидов, нитридов и боридов циркония (ZrC, ZrN, ZrB) разной формы: в виде цилиндров, параллелепипедов и т. д. 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 ионов с BF, N₂ и др. Соединение элементов катода 3 с подложками 4 осуществляют в вакууме несколькими способами: а) припаиванием цирконием, ниобием и другими металлами, б) термодиффузионной сваркой при нагревании под давлением, в) осаждением на подложку из газово-ионной смеси и др. Электрод-отражатель 6 изготавливают из карбида циркония, анод 7 из молибдена, вольфрама, тантала и графита. В зависимости от предназначения источника ионов размеры, форма и положение анода в разрядной камере могут изменяться. Например, в сечении он может иметь форму пластины, открытого желоба или угольника, как показано, например, на фиг. 1, 2 и 3. Электрод-отражатель 11 (фиг. 3) может быть закреплен на торцевой стенке или на ближнем к нему конце анода. Таким образом, в источнике ионов изолирован только анод с помощью двух изоляторов, которые находятся вдали от накаленного катода и электрода-отражателя и защищены от запыления телом анода. Прямой режим разряда используют в случаях, когда требуется разделение изотопов элементов, в имплантерах при высококачественном производстве интегральных схем и т. д.

Испытания источников ионов проведены во внешних магнитных полях 100-600 Гс, поскольку источники ионов в имплантерах работают в этом диапазоне. После достижения достаточного разрежения в вакуумной камере пропусканием тока накала накаливают нить вспомогательного катода 5 до термоэмиссионной температуры, подают ускоряющее электроны напряжение U_емежду нитью 5 и катодом 4, и электронной бомбардировкой катоду сообщают мощность P U_e * I_e, затем подают рабочее вещество по трубке 10 со скоростью подачи Q атм. см³ мин^-1, включают разрядное напряжение U_pмежду катодом 4 и анодом 7 и после загорания разряда, с помощью регулировки подводимой к катоду мощности Р и величины разрядного напряжения, устанавливают необходимые для каждого конкретного случая режимы работы источника ионов: ток разряда I_p и напряжение разряда U_p. Для формирования пучка в экстракционной щели с поверхностью S и ускорения ионов подают напряжение U_уск на электроды ионной оптики. После ввода источника ионов в рабочий режим он в течение многих часов работает стабильно и не требует регулировок. При работе ионного источника, например, в магнитном поле B 400 Гс в осциллирующем режиме разряда при использовании элемента катода 3, изготовленного из карбида циркония размерами 10 х 6 х 6 мм³, припаянного к подложке 4 вольфрамовому диску диаметром 12 мм, высотой 2 мм, необходимая мощность Р накала катода составляет 250 Вт, при подаче N₂ Q 3 атм. см³ мин^-1, для поддержания разряда I_p 7А, U_p 100В. При этом ток в пучке ионов I_i, ускоренных напряжением U_уск 15 кВ, составляет 100 мА при размерах экстракционной щели S 2 х 50 мм². Интенсивность тока в пучке возрастает с повышением В, как видно на фиг. 4, вследствие увеличения притока ионов к экстракционной щели. Срок службы источника в этом режиме работы превышает 100 ч. По сравнению с вольфрамовым катодом в аналогичных условиях работы требуемая мощность накала ZrC катода в два раза ниже, а срок его службы в три раза больше.

Упрощение конструкции источника ионов и повышение надежности его работы достигается тем, что изолирован только анод, оба изолятора которого находятся вдали от накаленного катода и электрода-отражателя и защищены от запыления телом анода.

Увеличение интенсивности и плотности ионного тока в пучке ускоренных ионов достигается образованием вынужденного притока заряженных частиц плазмы разряда к экстракционной щели поперек силовых линий внешнего магнитного поля.

Увеличение срока службы источника ионов в несколько раз и снижение энергозатрат на нагревание катода достигается использованием материала элемента катода с повышенной стойкостью к ионному распылению, химической эрозии и обладающего меньшей работой выхода электронов, чем тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал).

Увеличение эффективности использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру, осуществляется надежной герметизацией разрядной камеры и организацией вынужденного притока ионов из объема плазменного столба разряда к экстракционной щели поперек силовых линий внешнего магнитного поля в скрещенных полях.

Использование: в технологических целях для имплантации ионов, электромагнитного разделения изотопов и в других приложениях. Сущность изобретения: источник ионов выполнен в виде однопотенциального блока, состоящего из разрядной камеры 1, крышки 2, катода 3, а при использовании осциллирующего режима дугового разряда - электрода-отражателя 6. На разрядное напряжение изолирован только анод 7 с помощью двух изоляторов, которые заэкранированы от запыления анодом и находятся вдали накаленного катода 3. Это упрощение конструкции источника повышает надежность его работы. Положительный потенциал анода позволяет увеличить интенсивность и плотность ионного тока в пучке ускоренных ионов вследствие образования вынужденного притока заряженных частиц плазмы разряда к экстракционной щели поперек силовых линий магнитного поля в скрещенных электрическом и магнитном полях. Кроме более полного использования ионов, образованных в столбе разряда, повышается эффективность использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру источника ионов. Использование элемента катода 3 из карбида циркония, припаянного к подложке 4, изготовленной из тугоплавкого металла, позволяет вдвое снизить мощность нагрева катода и увеличить в несколько раз ресурс источника ионов при плотности тока в пучке ускоренных ионов больше 100 мA.cм^-2. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий разрядную камеру с щелевым отверстием для экстракции ионов, магнитную систему, создающую в полости разрядной камеры магнитное поле, направление вектора индукции которого совпадает с продольной осью симметрии камеры, подогревный катод со вспомогательным термоэмиссионным катодом и электрод-отражатель, расположенные у противоположных торцевых поверхностей разрядной камеры и подключенные к источнику разрядного напряжения, отличающийся тем, что подогревный катод и разрядная камера подключены к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, при этом в разрядной камере размещен электроизолированный анод, подключенный к положительному полюсу источника разрядного напряжения. 2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что форма анода и место его расположения в разрядной камере выбраны такими, чтобы вектор скорости дрейфа плазменных электронов в разрядной камере в скрещенных электрическом и магнитном полях был направлен в сторону щелевого отверстия. 3. Источник ионов по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подогревный катод выполнен в виде элемента, припаянного к подложке из тугоплавкого материала, при этом катод и электрод-отражатель выполнены из материалов, более стойких к ионному распылению, чем вольфрам. 4. Источник ионов по пп.1 3, отличающийся тем, что электрод-отражатель электроизолирован от разрядной камеры и подключен к положительному полюсу источника разрядного напряжения.