ПОЛЫЙ КАТОД ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА ИОНОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J27/04 H01J17/06 

Изобретение относится к газоразрядным генераторам плазмы, в том числе к генераторам эмитирующей ионы плазмы устройств для ионно-плазменной обработки изделий и источников ионов для обработки изделий ионным пучком.

Известен полый катод плазменного эмиттера ионов конической формы объемом 8 л, образованный 44 коаксиальными кольцами из нержавеющей стали толщиной 3 мм, электроизолированными друг от друга зазорами 1,5 мм. Он имеет два коаксиальных торцовых отверстия диаметрами 60 и 260 мм. Первое отверстие перекрыто полым анодом разрядной камеры, а второе эмиссионной сеткой [1]
Недостатками полого катода являются сравнительно низкий коэффициент извлечения ионов из плазмы внутри катода, не превышающий 13% и сравнительно высокая неоднородность распределения плотности тока ионной эмиссии. Лишь в центральной зоне эмиссионной сетки с площадью 60% от ее общей площади неоднородность составляет 10% а на 40% площади поверхности сетки она в несколько раз выше.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полый катод [2] в форме параллелепипеда, открытого с одной стороны, являющийся катодом газоразрядной камеры источника ионов [2] Источник ионов формирует пучок с сечением, практически совпадающим по форме с открытой в направлении эмиссионной сетки стороной полого катода. Распределение плотности ионного тока по сечению пучка достаточно однородно в центральной зоне сечения. Это обеспечивается достаточной однородностью эмиттирующей ионы плазмы внутри катода, поддерживаемой ионизацией газа многократно пролетающими через плазму и отражающимися в катодных слоях быстрыми электронами. Последние проходят путь, на несколько порядков превышающий размеры катода, и успевают побывать во всех его частях до поглощения анодом. Однако через центр катодной полости электроны пролетают чаще, чем вблизи ее боковой поверхности. Поэтому концентрация плазмы уменьшается вблизи боковой поверхности катода, а плотность тока ионов уменьшается вблизи границы сечения пучка.

Недостаток устройства состоит в неоднородности распределения плотности тока ионов, извлекаемых из плазмы через открытую сторону полого элемента катода, по сечению ионного пучка, что является причиной неравномерности обработки изделий ионами.

Цель изобретения увеличение однородности распределения плотности тока ионов из катода плазменного эмиттера ионов.

Цель достигается тем, что полый катод плазменного эмиттера ионов, содержащий боковые и торцовую стенки, образующие полость с эмиссионным отверстием, ограниченным боковыми стенками, согласно изобретению выполнен с поперечным размером полости от торцовой стенки до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия в ее центральной части меньшим, чем соответствующий размер полости вблизи по меньшей мере двух противолежащих боковых стенок.

Кроме того, полость может быть образована по меньшей мере, двумя электроизолированными друг от друга катодными элементами.

При поперечном размере Н полости катода вблизи его боковых стенок, превышающем ее поперечный размер h от торцовой стенки до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия в центральной части этой полости, толщина эмиттирующего ионы плазменного слоя внутри полости вблизи боковых стенок превышает толщину слоя в центральной части полости. Увеличение толщины плазменного слоя при неизменной интенсивности ионизации газа в слое приводит к возрастанию плотности тока ионов с эмиттирующей границы соответствующего участка плазменного слоя. Это позволяет в каждом конкретном случае подобрать экспериментальным путем необходимое распределение размеров полости катода (глубины полости), при котором неоднородность распределения плотности тока ионной эмиссии не превышает заданной величины (в большинстве случаев 5% ).

При выполнении полого элемента катода в виде отдельных электроизолированных (расположенных с зазором) друг от друга катодных элементов, образующих полость, необходимое распределение поперечного размера (глубины) полости можно получать надлежащим перемещением отдельных катодных элементов относительно друг друга. Кроме того, возможно соединение отдельных катодных элементов катода с отрицательным полюсом источника электропитания газового разряда через отдельные балластные резисторы, что исключает переходы тлеющего разряда в дугу и уменьшает потери энергии в резисторах.

На фиг. 1 и 2 показан катод прямоугольного сечения длинной L и шириной l; на фиг. 3 источник ионного пучка круглого сечения, содержащий предлагаемый катод.

Полый катод 1 имеет боковые 2 и торцовую 3 стенки, образующие полость 4 с эмиссионным отверстием 5, которое ограничено боковыми стенками 2. В боковой стенке 2 катода выполнено отверстие 6, через которое в полость вводится анод 7. Анод может располагаться и снаружи катода 1 вблизи отверстия 6. Поперечный размер (глубина) Н полости 4 вблизи боковых стенок 2 превышает поперечный размер (глубину) полости 4 от торцовой стенки 3 до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия 5 h в центральной ее части.

В источнике ионов, содержащем герметичный корпус 8, установленный на окне (люке) рабочей вакуумной камеры 9, эмиссионную сетку 10, источник 11 электропитания разряда, источник 12 ускоряющего и источник 13 сеточного напряжений, катод 1 в виде полого цилиндра установлен внутри корпуса 8 и обращен эмиссионным отверстием 5 в направлении сетки 10. Источник 11 подключен отрицательным полюсом к катоду 1, а положительным к аноду 7 и к положительному полюсу источника 12. Отрицательный полюс последнего подключен к камере 9. Источник 13 подключен положительным полюсом к камере 9, а отрицательным полюсом к сетке 10.

Преимущества предлагаемого катода плазменного эмиттера ионов раскрываются в примере его использования в источнике ионов.

Источник ионов работает следующим образом.

Вакуумную камеру 9 (фиг. 3) откачивают до давления 10^-3Па. Подачей ионообразующего газа устанавливают внутри полости катода рабочее давление от 0,05 до 0,5 Па. Между катодом 1 и анодом 7 прикладывают разрядное напряжение порядка 0,5 кВ от источника 11. На анод 7 подают ускоряющее напряжение источника 12, превышающее разрядное. От источника 13 на сетку 10 подают напряжение отрицательной полярности. С помощью поджигающего устройства инициируют стационарный тлеющий разряд с полым катодом. В результате полость 4 катода 1 заполняется достаточно однородной плазмой 14, отделенной от его стенок 2, 3 катодным слоем 15 положительного объемного заряда. Ускоренные в слое 16 между плазмой 14 и сеткой 10 высокой прозрачности ионы 17 и 16 между плазмой 14 и сеткой 10 высокой прозрачности ионы 17 поступают частично на сетку 10, а через ячейки сетки в камеру 9. Отрицательное напряжение на сетке препятствует поступлению в полость 4 встречного пучка электронов 18 из плазмы 19 внутри камеры 9, что повышает КПД источника ионов. Глубина полости 4 катода 1 возрастает с радиусом. Поэтому толщина эмиттирующего ионы плазменного слоя вблизи боковых стенок 2 превышает толщину слоя в центральной зоне, что приводит к выравниванию радиального распределения плотности ионного тока в пучке.

Пример конкретного исполнения. В источнике ионов с катодом в виде полого цилиндра диаметром 20 см и глубиной 10 см плотность тока ионной эмиссии имеет максимум на оси пучка. На расстоянии 5 см от оси она уменьшается на 20% а на расстоянии 7,5 см на 50% Вместо указанного в источнике ионов был установлен катод диаметром 20 см с торцовой стенкой, выполненной в виде конуса с вершиной, обращенной внутрь полости. При этом глубина полости линейно возрастала с радиусом от 6 см в центре до 12 см у боковой стенки. В результате радиус зоны с 20%-ной неоднородностью распределения плотности ионного тока возрос до 9 см, а в зоне с радиусом 7,5 см неоднородность не превысила +5%
По сравнению с прототипом предлагаемый катод плазменного эмиттера ионов отличается повышенной однородностью распределения плотности тока ионной эмиссии и обеспечивает однородную обработку пучком большого сечения подложек, установленных в рабочей камере неподвижно.

Использование: в вакуумной технике, в газоразрядных генераторах плазмы для ионно-плазменной обработки изделий. Сущность изобретения: катод плазменного эмиттера содержит боковые и торцовую стенки, образующие полость с эмисионным отверстием, ограниченным боковыми стенками. Поперечный размер полости от торцовой стенки до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия в ее центральной части выбран меньшим, чем соответствующий размер полости вблизи по меньшей мере двух противолежащих боковых стенок. Катодная полость может быть образована несколькими электроизолированными катодными элементами. Такое выполнение полого катода позволяет увеличить однородность распределения плотности тока. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ПОЛЫЙ КАТОД ПЛАЗМЕННОГО ЭМИТТЕРА ИОНОВ, содержащий боковые и торцевую стенки, образующие полость с эмиссионным отверстием, ограниченным боковыми стенками, отличающийся тем, что он выполнен с поперечным размером полости от торцевой стенки до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия в ее центральной части меньшим, чем соответствующий размер полости вблизи по меньшей мере двух противолежащих боковых стенок. 2. Катод по п.1, отличающийся тем, что полость образована по меньшей мере двумя электроизолированными друг от друга катодными элементами.