Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным устройствам, предназначенным для получения интенсивных, в том числе ленточных, пучков ионов, которые могут использоваться в ионно-лучевых технологиях для модификации поверхностей изделии и для нанесения на них покрытий.
В настоящее время известны различные типы источников ионов, предназначенных для генерации пучков, к числу которых относятся и источники ионов с замкнутым дрейфом электронов (замкнутым холдовским током). Такие источники ионов подразделяются на два вида: источники ионов с протяженной зоной ускорения, содержащие диэлектрический канал (например, европейская заявка FP 0541309 Al, МПК Н 05 Н 1/54, F 03 Н 1/00, опубликована 12.05.93), и источники ионов с короткой зоной ускорения (например, патент US 4122347, МПК Н 01 J 27/00, опубликован 24.10.78), называемые также источниками ионов с анодным слоем. Второй вид источников ионов с замкнутым дрейфом электронов наиболее широко применяется в технологических целях, поскольку для работы таких источников ионов не требуется термоэмиттер электронов, в состав таких источников не входит диэлектрический канал для ускорения ионов, при этом межэлектродное расстояние может быть минимальным. Источники ионов с анодным слоем имеют более простую конструкцию и обеспечивают возможность генерации ленточных ионных пучков с большими линейными размерами. Кроме того, они могут применяться без термоэмиттеров. В качестве катода в таких источниках обычно используется корпус устройства.
В российском патенте RU 2030807 (МПК Н 01 J 27/04, 37/08, опубликован 10.03.95) описан источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, предназначенный для генерации ленточных пучков. Известный источник содержит корпус, выполненный из магнитопроводящего материала, который служит катодом. С корпусом источника сообщен газораспределитель, служащий для подачи рабочего газа в разрядный промежуток. В выходной торцевой стенке корпуса источника образовано протяженное эмиссионное отверстие, состоящее из параллельных прямолинейных участков и двух замыкающих криволинейных участков. Анод симметрично установлен в полости корпуса источника напротив эмиссионной щели. При этом анод расположен осесимметрично вокруг постоянных магнитов, установленных между торцевыми стенками корпуса и служащих для создания магнитного поля в рабочем зазоре эмиссионной щели. Противолежащие относительно эмиссионной щели части выходной магнитопроводящей торцевой стенки корпуса выполняют функции полюсных наконечников магнитной системы устройства. Полюсные наконечники с элементами магнитопроводящего корпуса электроизолируются друг от друга и заземляются через приборы, регистрирующие ток. За счет профилирования эмиссионной щели и изменения расстояния между полюсными наконечниками осуществляется управление формой генерируемого пучка и его интенсивностью. В целом конструкция известного источника ионов обеспечивает снижение распыления полюсных наконечников и вследствие этого повышение чистоты наносимых покрытий и качества обработки модифицируемых поверхностей изделий.
Известен ряд конструктивных решений, направленных на усовершенствование магнитной системы источников ионов с замкнутым дрейфом электронов с целью повышения интенсивности ионного пучка. Так, например, известен источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, в состав которого входит усовершенствованная магнитная система (патент US 5763989, МПК Н 05 Н 1/02, опубликован 09.06.1998). Магнитная система такого источника ионов включает источники магнитодвижущей силы в виде постоянных магнитов, магнитопровод и магнитопроводящие экраны, окружающие коаксиальный разрядный канал устройства. Магнитная система предназначена для генерации в разрядном канале радиального магнитного поля с заданным градиентом поля в осевом направлении канала. Однако данный источник ионов относится по принципу работу к плазменным устройствам с протяженной зоной ускорения и для его работы требуется использование дополнительного эмиттера электронов, расположенного за срезом разрядного коаксиального канала.
Наиболее близким аналогом патентуемых вариантов изобретения является источник ионов с ленточным пучком, при работе которого используется принцип ускорения ионов в анодном слое с замкнутым дрейфом электронов (патент US 4277304, МПК Н 01 L 21/306, Н 01 J 17/04, опубликован 07.07.1981). Корпус источника ионов имеет замкнутую выходную щель для эмиссии ионов и формирования ленточного пучка ионов. Анод источника ионов расположен внутри корпуса напротив выходной щели. Газораспределитель рабочего вещества сообщен с полостью корпуса и соответственно с разрядным каналом источника ионов. Катодом известного источника служит корпус или часть корпуса с торцевой стенкой, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов. Торцевая стенка источника ионов с выходным отверстием выполняется из магнитопроводящего материала (магнитопроводящей стали).
Известное техническое решение направлено на создание компактного источника ионов с ленточным пучком и на снижение рассеяния магнитных полей за счет оптимизации конструкции магнитной системы. В состав магнитной системы источника ионов входят постоянные магниты, установленные с внешней стороны корпуса вдоль кромок замкнутого выходного отверстия, выполненного в форме щели. Векторы индукции постоянных магнитов, расположенных у противоположных кромок выходной щели, ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность. Торцевая стенка корпуса, в которой выполнена протяженная замкнутая выходная щель, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части торцевой стенки корпуса, разделенные замкнутой выходной щелью, служат полюсными наконечниками магнитной системы и образуют рабочий магнитный зазор вдоль замкнутой выходной щели.
На внешних торцевых частях постоянных магнитов также установлены полюсные наконечники, посредством которых замыкается магнитное поле с внешней стороны корпуса источника ионов, препятствуя тем самым рассеянию магнитного поля за пределами разрядного канала. При этом в отдельных вариантах исполнения известного устройства (фиг.6 патента US 4277304) внешние полюсные наконечники магнитной системы замкнуты магнитопроводящими перемычками. Таким образом, внешние полюсные наконечники в рассматриваемом источнике ионов предназначены лишь для концентрации магнитного поля в полости корпуса магнитопровода и не служат в качестве магнитных элементов, образующих дополнительный рабочий магнитный зазор. Ускорение ионов в таком устройстве осуществляется в скрещенных электрическом и магнитном полях в области рабочего магнитного зазора, расположенного в непосредственной близости от анода. Полюсные наконечники, установленные на торцевых частях постоянных магнитов и связанные между собой магитопроводящими перемычками (фиг.6 патента US 4277304), образуют выходное отверстие источника ионов, существенно не влияя на процесс формирования пучка ионов. В другом частном случае конструктивного выполнения источника ионов (фиг.8А патента US 4277304) полюсные наконечники, установленные на торцевых частях постоянных магнитов, образуют второй магнитный зазор, в котором теоретически возможно доускорение ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Однако в патенте US 4277304 не указаны характерные условия, определяющие распределение магнитного поля в магнитной линзе, которая образует выходное отверстие источника ионов и служит для формирования ионного пучка. Вследствие этого нет основании для суждения о возможности эффективного влияния на процесс ионизации и на ускорение ионов второго магнитного зазора магнитной линзы, используемой в известном устройстве.
К числу наиболее значимых параметров источника ионов, применяемого в технологических процессах, относится интенсивность ионного пучка, однородность плотности тока по сечению пучка и стабильность электрического разряда. Перечисленные характеристики зависят, в свою очередь, от точности размеров эмиссионного отверстия, равномерного распределения магнитного и электрического поля в магнитном зазоре и от равномерности подачи рабочего газа вдоль эмиссионного отверстия. Выполнение этих условий особенно важно для генерации протяженных ленточных пучков. Кроме того, с целью обеспечения приемлемых плотностей ионного тока на единицу длины эмиссионного отверстия необходимо использовать интенсивные разряды большой мощности. Известные в настоящее время источники ионов в целом не соответствуют всем перечисленным требованиям и поэтому обладают ограниченными возможностями при их использовании в различных ионно-лучевых технологических процессах.
Изобретение направлено на повышение интенсивности генерируемого ионного пучка в широком диапазоне энергий ионов при условии однородного распределения плотности ионного тока, что необходимо для различных технологических процессов (ионного травления, нанесения покрытий и т.д.). Данные технические результаты связаны с решением определенной технической задачи, заключающейся в реализации оптимальных условий для ионизации рабочего газа и ускорения ионов, включая возможность регулирования их энергии, по сечению ионного пучка посредством эффективного использования второго магнитного зазора магнитной линзы. Решение поставленной задачи становится особенно важным при генерации протяженных ленточных пучков, имеющих достаточно большое сечение.
Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается с помощью источника ионов, который содержит корпус с замкнутым выходным отверстием для эмиссии ионов, анод, расположенный внутри корпуса напротив выходного отверстия, газораспределитель, сообщенный с полостью корпуса, катод, по меньшей мере, частью которого служит корпус, и магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы в виде постоянного магнита. Источник магнитодвижущей силы установлен с внешней стороны корпуса вдоль кромки замкнутого выходного отверстия. Торцевая стенка корпуса, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части этой торцевой стенки, разделенные замкнутым выходным отверстием, служат полюсными наконечниками магнитной системы, которые образуют первый магнитный зазор. В состав магнитной системы входят полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутого выходного отверстия, расположенный напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Источник магнитодвижущей силы установлен в пространстве между полюсными наконечниками первого и второго зазоров.
Согласно первому варианту настоящего изобретения отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Кроме того, торцевая стенка корпуса со стороны, противоположной выходному отверстию для эмиссии ионов, должна быть выполнена из магнитопроводящего материала. Указанная торцевая стенка образует вместе с полюсными наконечниками первого и второго магнитных зазоров разомкнутый магнитопровод. При этом остальные части корпуса могут быть выполнены из немагнитного материала.
Данное исполнение источника ионов дает возможность эффективно использовать второй межполюсный зазор магнитной линзы и создать с ее помощью квадрупольное распределение магнитного поля в выходном отверстии. Генерируемый во втором межполюсном зазоре замкнутый холловский ток обеспечивает дополнительную ионизацию рабочего газа и усиливает магнитное поле в первом межполюсном зазоре, положительно влияя на стабилизацию разряда и на процесс ускорения ионов. Создаются также условия для эффективного дополнительного ускорения ионов во втором межполюсном зазоре. Такая возможность обеспечивается геометрическим соотношением расстояний между полюсными наконечниками обоих зазоров, при котором проявляется взаимовлияние собственных магнитных полей дрейфовых электронных токов и магнитного поля, создаваемого магнитной системой источника ионов. Использование магнитопроводящей торцевой стенки, образующей вместе с четырехполюсной (квадрупольной) магнитной линзой разомкнутый магнитопровод, увеличивает градиент магнитного поля в первом межполюсном зазоре и способствует повышению равномерности магнитного поля вдоль выходного отверстия источника ионов. Вследствие этого повышается равномерность ускорения ионов в пучке и интенсивность ионного пучка.
Магнитная система может включать в свой состав постоянные магниты, установленные между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль противоположных кромок замкнутого выходного отверстия. Векторы индукции поля постоянных магнитов, расположенных у противоположных кромок выходного отверстия, ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность. Данное конструктивное выполнение способствует усилению магнитного поля и повышению равномерности распределения напряженности магнитного поля в межполюсных зазорах.
Необходимо отметить, что в источнике ионов, выполненном согласно самостоятельному пункту формулы изобретения, может использоваться только один постоянный магнит в качестве источника магнитодвижущей силы. Для генерации магнитного поля в двух последовательно расположенных межполюсных зазорах единственный источник магнитодвижущей силы может быть выполнен замкнутой формы и размещаться вдоль внешней кромки выходного отверстия (как, например, показано на фиг.4А патента US 4277304) либо он может быть выполнен незамкнутой формы и устанавливаться вдоль внутренней кромки выходного отверстия (как, например, показано на фиг.8А патента US 4277304).
В предпочтительном варианте выполнения в конструкции источника ионов может использоваться внутренняя перемычка, соединяющая противоположные торцевые стенки корпуса. Анод в этом случае выполняется замкнутой формы, повторяющей форму выходного отверстия, и устанавливается вокруг внутренней перемычки корпуса.
В качестве внутренней перемычки целесообразно использовать дополнительный постоянный магнит. Вектор индукции поля дополнительного магнита ориентируется параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля магнита, установленного напротив него с внешней стороны корпуса.
Вокруг анода между магнитопроводящими торцевыми стенками корпуса могут устанавливаться дополнительные постоянные магниты, причем вектор индукции поля каждого дополнительного магнита ориентируется параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля постоянного магнита, установленного напротив него с внешней стороны корпуса. Включение дополнительных постоянных магнитов в разомкнутый магнитопровод способствует более равномерному распределению магнитного поля в межполюсных зазорах, обеспечивая тем самым однородность распределения плотности тока и энергии ионов по сечению ионного пучка.
Дополнительные постоянные магниты могут быть установлены как в центре корпуса, так и на его периферии, а также одновременно в центре корпуса и на его периферии.
Для генерации протяженных ленточных пучков используют межполюсные зазоры, образующие замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов, в виде замкнутой эмиссионной щели. Замкнутая щель состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах криволинейными участками.
Ширина одного из прямолинейных участков по меньшей мере одного из межполюсных зазоров может быть больше ширины второго прямолинейного участка этого межполюсного зазора. Такое выполнение источника ионов позволяет генерировать по существу два параллельных ионных пучка с различными плотностями тока и различными энергиями ионов. Данная возможность обеспечивает универсальность применения источника ионов в технологических процессах, требующих последовательную обработку поверхности изделия пучками ионов различной интенсивности.
В предпочтительном варианте выполнения источника ионов отношение ширины первого межполюсного зазора к величине зазора между поверхностью анода и противолежащей кромкой полюсного наконечника, образующего первый магнитный зазор, составляет 1-20. При указанном соотношении размеров осуществляется устойчивая генерация пучка ионов в процессе выполнения различных технологических операций с различной шириной выходного отверстия. Так, например, для ионного распыления требуется узкое выходное отверстие, а для ионного нанесения покрытий - широкое отверстие. Соблюдение установленного соотношения позволяет генерировать интенсивные пучки ионов с требуемым распределением энергии ионов в пучке.
Желательно также, чтобы шероховатость рабочей поверхности анода и поверхностей полюсных наконечников со стороны разрядного канала составляла не более 10 мкм. При отсутствии на рабочей поверхности анода острийных выступов, являющихся концентраторами напряженности электрического поля, исключается локальный перегрев поверхности анода из-за электрических пробоев межэлектродного промежутка, повышается устойчивость разряда и вследствие этого увеличивается ресурс и повышается надежность источника ионов.
В преимущественном варианте выполнения источника ионов используется газораспределитель, содержащий по меньшей мере один газораспределительный блок с выходными каналами, равномерно расположенными вдоль замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов. Выходные каналы газораспределительного блока имеют одинаковое сечение и сообщены с общим входным отверстием через параллельно-последовательно соединенные линейные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление. Выходные каналы соединяются с коллектором, к которому подключены параллельно-последовательно соединенные каналы между двумя соседними выходными каналами, а между двумя соседними входами в коллектор параллельно - последовательно соединенных каналов расположены два выходных канала. Описанное выполнение газораспределителя обеспечивает равенство расходов газа через каждый выходной канал, равномерность подачи рабочего газа по сечению разрядного канала между анодом и катодом и, следовательно, однородность плотности тока по сечению ионного пучка.
Газораспределительный блок может быть размещен в корпусе источника ионов со стороны, противоположной выходному отверстию, или являться частью магнитной системы. В последнем случае по меньшей мере часть газораспределительного блока служит элементом магнитопровода.
Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается также с помощью источника ионов с ленточным пучком, выполненного согласно второму варианту изобретения. Источник ионов так же, как и в первом варианте изобретения содержит корпус с замкнутым выходным отверстием для эмиссии ионов, анод, расположенный внутри корпуса напротив выходного отверстия, газораспределитель, сообщенный с полостью корпуса, катод, по меньшей мере частью которого служит корпус, и магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы в виде постоянного магнита. Источник магнитодвижущей силы устанавливается с внешней стороны корпуса вдоль кромки замкнутого выходного отверстия. Торцевая стенка корпуса, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части этой торцевой стенки, разделенные замкнутым выходным отверстием, служат полюсными наконечниками магнитной системы, которые образуют первый магнитный зазор. В состав магнитной системы входят полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутого выходного отверстия, расположенный напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Причем источник магнитодвижущей силы установлен в пространстве между полюсными наконечниками первого и второго зазоров.
Согласно второму варианту изобретения отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого и второго магнитных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор, должны быть электроизолированы от корпуса и от полюсных наконечников, образующих первый межполюсный зазор.
Второй вариант изобретения так же, как и первый вариант обеспечивает повышение интесивности ионного пучка за счет создания оптимального распределения магнитного поля, в результате чего осуществляется стабилизация разряда и повышается эффективность ускорения ионов при однородном распределении плотности тока по сечению пучка. Наряду с этим появляется возможность регулирования величины энергии ионов в пучке за счет управления потенциалом на полюсных наконечниках второго межполюсного зазора или фиксирования величины потенциала на заданном уровне.
Согласно второму варианту изобретения корпус источника ионов может быть полностью выполнен из магнитопроводящего материала.
Так же, как и в первом варианте изобретения магнитная система может включать в свой состав постоянные магниты, установленные между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль противоположных кромок замкнутого выходного отверстия. Векторы индукции поля постоянных магнитов, расположенных у противоположных кромок выходного отверстия, ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность.
Для генерации магнитного поля в межполюсных зазорах магнитной системы источника ионов согласно самостоятельному пункту формулы изобретения может использоваться только один постоянный магнит в качестве источника магнитодвижущей силы.
В целях электроизоляции полюсных наконечников второго межполюсного зазора постоянные магниты выполняются из материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Электроизоляция может быть обеспечена за счет установки между полюсными наконечниками, образующими второй межполюсный зазор, и постоянными магнитами диэлектрических вставок. В данном случае полюсные наконечники могут находиться под плавающим потенциалом в процессе работы источника ионов.
В другом конструктивном исполнении полюсные наконечники, образующие первый н второй межполюсные зазоры, могут быть подключены к полюсам противоположной полярности источника напряжения. При таком выполнении появляется возможность регулирования интенсивности генерируемого ионного пучка и энергии ионов посредством управления потенциалом полюсных наконечников второго межполюсного зазора.
В предпочтительном варианте конструкции источника ионов может использоваться внутренняя перемычка, соединяющая противоположные торцевые стенки корпуса. Анод в этом случае выполняется замкнутой формы, повторяющей форму выходного отверстия, и устанавливается вокруг внутренней перемычки корпуса.
В качестве внутренней перемычки целесообразно использовать дополнительный постоянный магнит. Вектор индукции поля дополнительного магнита ориентируется параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля магнита, установленного напротив него с внешней стороны корпуса.
Вокруг анода между магнитопроводящими торцевыми стенками корпуса могут устанавливаться дополнительные постоянные магниты, причем вектор индукции поля каждого дополнительного магнита ориентируется параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля постоянного магнита, установленного напротив него с внешней стороны корпуса.
Для генерации протяженных ленточных пучков используются межполюсные зазоры, образующие замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов, в виде замкнутой эмиссионной щели. Замкнутая щель состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах криволинейными участками.
С целью расширения функциональных возможностей источника ионов ширина одного из прямолинейных участков по меньшей мере одного из межполюсных зазоров может быть больше ширины второго прямолинейного участка этого межполюсного зазора. При этом возможно выполнение двух последовательно расположенных межполюсных зазоров с различной шириной прямолинейных участков.
В предпочтительном варианте выполнения источника ионов отношение ширины первого межполюсного зазора к величине зазора между поверхностью анода и противолежащей кромкой полюсного наконечника, образующего первый межполюсный зазор, составляет 1 - 20.
Для увеличения ресурса и надежности устройства желательно также, чтобы шероховатость рабочей поверхности анода и рабочих поверхностей полюсных наконечников со стороны разрядного канала составляла не более 10 мкм.
В преимущественном варианте выполнения источника ионов используется газораспределитель, содержащий по меньшей мере один газораспределительный блок с выходными каналами, равномерно расположенными вдоль замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов. Выходные каналы газораспределительного блока имеют одинаковое сечение и сообщены с общим входным отверстием через параллельно-последовательно соединенные линейные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление. Выходные каналы соединяются с коллектором, к которому подключены параллельно-последовательно соединенные каналы между двумя соседними выходными каналами, а между двумя соседними входами в коллектор параллельно-последовательно соединенных каналов расположены два выходных канала. Данное выполнение газораспределителя обеспечивает равенство расходов газа через каждый выходной канал.
Газораспределительный блок может быть размещен в корпусе со стороны, противоположной выходному отверстию для эмиссии ионов, или являться частью магнитной системы. В последнем случае по меньшей мере часть газораспределительного блока служит элементом магнитопровода.
Далее варианты изобретения поясняются описанием конкретных примеров их реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:
на фиг.1 схематично изображено поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно первому варианту изобретения;
на фиг.2 - вид на источник ионов, изображенный на фиг.1, со стороны выходного отверстия для эмиссии ионов;
на фиг. 3 - схематично поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно первому варианту изобретения, с использованием только внешних постоянных магнитов;
на фиг. 4 - график изменения величины поперечной составляющей индукции магнитного поля вдоль направления Х эмиссии ионов для источника, изображенного на фиг.3;
на фиг. 5 - схема взаимодействия генерируемых магнитных полей в межполюсных зазорах магнитной системы;
на фиг.6 - схематично разрез части корпуса источника ионов с газораспределителем (в плоскости выходных каналов);
на фиг. 7 - разрез газораспределителя, изображенного на фиг.6, по плоскости разъема деталей в направлении А;
на фиг. 8 - разрез газораспределителя, изображенного на фиг.6, по плоскости разъема деталей в направлении В;
на фиг. 9 - схематично поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения с одним источником напряжения и дополнительными постоянными магнитами;
на фиг.10 - схематично поперечное сечение источника ионов;
на фиг.11 - схематично поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения с двумя источниками напряжения и дополнительными постоянными магнитами;
на фиг. 12 - схематично изображено поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения с двумя источниками напряжения.
Изобретение поясняется приводимыми ниже примерами реализации, которые относятся к использованию источника ионов для генерации протяженных ленточных пучков. Отличительной особенностью данных примеров реализации источника ионов является выполнение замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов в форме протяженной замкнутой эмиссионной щели (данный термин далее используется для рассматриваемого частного примера выполнения выходного отверстия для эмиссии ионов).
Источник ионов, выполненный согласно первому варианту изобретения (см. фиг. 1, 2, 3), состоит из корпуса 1, в торцевой стенке 2 которого выполнено замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов в форме протяженной -замкнутой эмиссионной щели. Анод 3 установлен внутри корпуса 1 напротив эмиссионной щели. В состав источника входит также газораспределитель, который может быть конструктивно совмещен с анодом 3. В состав магнитной системы устройства входят источники магнитодвижущей силы, полюсные наконечники и магнитопроводящая стенка 4 корпуса 1. Источники магнитодвижущей силы выполняются в виде постоянных магнитов 5 и 6, которые установлены с внешней стороны корпуса 1 вдоль кромок замкнутой эмиссионной щели. Торцевая стенка 2 изготовлена из магнитопроводящего материала и также является частью магнитной системы. Части стенки 2, разделенные замкнутой эмиссионной щелью, служат полюсными наконечниками 7 и 8, которые образуют первый по направлению эмиссии ионов межполюсный зазор. В состав магнитной системы входят также полюсные наконечники 9 и 10, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутой эмиссионной щели (см. фиг.2), который расположен напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Постоянные магниты 5 и 6 установлены между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль противоположных кромок выходного отверстия (замкнутой эмиссионной щели). При этом векторы индукции поля магнитов 5 и 6 ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность за счет соответствующей ориентации магнитных полюсов (N-S, S-N).
Магнитопроводящие торцевые стенки 2 и 4 образуют вместе с полюсными наконечниками 7, 8 и 9,10 разомкнутый магнитопровод, с помощью которого создается распределение магнитного поля с заданной величиной градиента поля у рабочей поверхности анода 3. Торцевая стенка 4 выполняется из магнитопроводящей стали и выполняет функцию магнитного шунта для магнитного поля рассеяния, создаваемого источниками магнитодвижущей силы. Такой магнитный шунт устанавливается с тыльной стороны корпуса 1 (со стороны, противоположной выходному отверстию для эмиссии ионов).
Заданное распределение магнитного поля в первом и втором межполюсных зазорах обеспечивается за счет выбранного соотношения размеров элементов магнитопровода. Отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками 7, 8 первого межполюсного зазора и полюсными наконечниками 9, 10 второго межполюсного зазора вдоль направления эмиссии ионов выбирается не менее 0,05. Данное условие определяет квадрупольное распределение магнитного поля в четырехполюсной магнитной линзе, образованной двумя парами полюсных наконечников 7, 8 и 9,10, и обуславливает взаимное влияние собственных магнитных полей дрейфовых электронных токов и магнитного поля, создаваемого с помощью магнитной системы. В рассматриваемом примере конкретного выполнения магнитопровода (см. фиг.1 и 3) отношение ширины первого межполюсного зазора к расстоянию между парами полюсных наконечников 7, 8 и 9, 10 составляет ~ 0,5, а соответствующее отношение для второго межполюсного зазора ~ 1,5, что удовлетворяет выбранному ограничению размеров.
Изменение поперечной составляющей индукции В магнитного поля в направлении Х эмиссии ионов для выбранной геометрии магнитной системы показано пунктирной линией на графике, изображенном на фиг.4 (сплошная линия на фиг.4 изображает кривую изменения поперечной составляющей индукции В магнитного поля при использовании магнитной системы без магнитного шунта). Распределение магнитного поля в межполюсных зазорах для выбранной геометрии магнитной системы с учетом полей, индуцируемых холловскими токами, показано на фиг.5.
Катодом в рассматриваемом примере конкретного выполнения источника ионов служит корпус 1 с полюсными наконечниками 7, 8 и полюсные наконечники 9,10 второго межполюсного зазора. Указанные полюсные наконечники соединены с отрицательным полюсом источника напряжения 11. Положительный полюс источника напряжения 11 соединен с анодом 3.
Корпус 1 источника ионов имеет внутреннюю перемычку 12, соединяющую противоположные торцевые стенки. Анод 3 выполнен замкнутой формы, повторяющей форму замкнутой эмиссионной щели, и установлен вокруг внутренней перемычки 12 корпуса 1. Часть корпуса вместе с внутренней перемычкой 12 может быть выполнена из немагнитного материала (фиг.3). В предпочтительном примере выполнения источника ионов (фиг.1) в качестве внутренней перемычки 12 используется дополнительный постоянный магнит. Вектор индукции поля такого магнита (перемычки 12) ориентирован параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность (за счет соответствующей полярности магнита) по отношению к вектору индукции поля магнита 6, установленного с внешней стороны корпуса 1.
В примере выполнения источника ионов, показанном на фиг.1, вокруг анода 3 между магнитопроводящими торцевыми стенками 2 и 4 корпуса 1 установлен дополнительный постоянный магнит 13 замкнутой формы. Вектор индукции поля (полярность магнита) дополнительного магнита 13 ориентирован параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля постоянного магнита 5, установленного напротив него с внешней стороны корпуса 1.
Межполюсные зазоры, образованные между парами полюсных наконечников 7, 8 и 9, 10, образуют замкнутую выходную щель для эмиссии ионов. Каждый зазор состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах замыкающими криволинейными участками (см. фиг.2). В рассматриваемом примере выполнения источника ионов, предназначенного для выполнения различных технологических операций, ширина С1 первого прямолинейного участка первого межполюсного зазора больше ширины С2 второго прямолинейного участка того же зазора.
Отношение ширины (C1 или C2) первого межполюсного зазора к величине зазора L между поверхностью анода 3 и противоположными кромками полюсных наконечников 7 и 8, образующих первый межполюсный зазор, составляет ~ 2 и ~ 4 соответственно для первого и второго прямолинейных участков зазора. Выбор указанных размеров соответствует диапазону оптимальных соотношений 1-20. Средняя шероховатость рабочей поверхности анода 3 и поверхностей полюсных наконечников 7, 8, 9 и 10. обращенных к разрядному каналу, составляет 5мкм.
В предпочтительном примере выполнения (фиг.6, 7 и 8) источник ионов содержит отдельный газораспределительный блок, конструктивно не связанный с анодом 3. В состав газораспределительного блока входит торцевая магнитопроводящая стенка 4, служащая магнитным шунтом, и тыльная часть корпуса 1, которая контактирует со стенкой 4 со стороны, противоположной выходному отверстию. Газораспределитель соединен с полостью корпуса через выходные каналы 14 одинакового диаметра, равномерно расположенные по внутренней стенке корпуса 1 в два ряда - вдоль прямолинейных участков замкнутой выходной эмиccиoннoй щели. На задней стенке корпуса 1 закреплена торцевая магнитопроводящая стенка 4, в которой выполнено входное отверстие 15, сообщенное через каскад параллельно-последовательно соединенных каналов 16 с двумя параллельно расположенными коллекторами 17. Выходные каналы 14 соединены с коллекторами 17 и расположены вдоль них на равном расстоянии Н друг от друга (фиг.8). Входное отверстие 15 соединяется через входной штуцер с системой подачи рабочего газа (не показаны). Каналы 16, соединяющие входное отверстие 15 с выходными каналами 14, имеют равное газодинамическое сопротивление, что обеспечивает равенство расходов газа, подаваемого в разрядный объем через выходные каналы 14. Равенство расходов газа через каналы 14 обеспечивается также за счет того, что каждый канал 16 в месте его соединения с коллектором 17 расположен между двумя соседними выходными каналами 14, а между двумя соседними входами каналов 16 в коллектор 17 расположены два выходных канала 14 (см. фиг.7).
Источник ионов с ленточным пучком, выполненный согласно второму варианту изобретения (см. фиг. 9, 10, 11 и 12), состоит из корпуса 18 с торцевой стенкой 19, в которой выполнена замкнутая выходная щель для эмиссии ионов в форме замкнутой эмиссионной щели. Анод 20 установлен внутри корпуса 18 напротив замкнутой эмиссионной щели. В состав источника входит также газораспределитель, который может быть конструктивно совмещен с анодом 20. В состав магнитной системы устройства входят источники магнитодвижущей силы в виде постоянных магнитов 21, 22 и полюсные наконечники 23, 24 и 25, 26.
Части торцевой стенки 19, разделенные замкнутой эмиссионной щелью, служат полюсными наконечниками 23 и 24, которые образуют первый по направлению эмиссии ионов межполюсный зазор. Полюсные наконечники 25 и 26 образуют второй межполюсный зазор, который расположен напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Постоянные магниты 21 и 22 установлены между полюсными наконечниками 23, 25 и 24, 26 соответственно. Полярность магнитов 21 и 22 (N-S и S-N) выбрана так, чтобы векторы индукции поля магнитов были ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имели противоположную направленность. Заданное распределение магнитного поля в первом и втором межполюсных зазорах обеспечивается за счет выбранного соотношения размеров элементов магнитопровода. Отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками 23 и 24 первого межполюсного зазора и полюсными наконечниками 25 и 26 второго межполюсного зазора вдоль направления эмиссии ионов выбирается не менее 0,05. Так же, как и в примере реализации первого варианта изобретения, отношение ширины первого межполюсного зазора к расстоянию между парами полюсных наконечников 23, 24 и 25, 26 составляет ~ 0,5, а соответствующее отношение для второго межполюсного зазора ~ 1,5, что удовлетворяет выбранному ограничению.
В отличие от первого варианта изобретения полюсные наконечники 25 и 26, образующие второй межполюсный зазор, электроизолированы от корпуса 18 и от полюсных наконечников 23 и 24, образующих первый межполюсный зазор, с помощью диэлектрических вставок 27 и 28 (см. фиг.9-12). Однако возможны и другие способы электроизоляции полюсных наконечников 25 и 26 от остальных частей корпуса 18. Так, например, возможно выполнение постоянных магнитов 22, 21 из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (из ферритов бария, стронция и др.).
Катодом в рассматриваемом примере конкретного выполнения источника ионов служит корпус 18 с полюсными наконечниками 23 и 24, подключенный к отрицательному полюсу источника напряжения 29. Положительный полюс источника напряжения 29 соединен с анодом 20. Электроизолированные полюсные наконечники 25 и 26 могут находится под плавающим потенциалом, как это показано на фиг.9 и 10, или могут быть подключены к дополнительному источнику напряжения 30 (см. фиг. 11 и 12). При этом в зависимости от того, к какому полюсу источника напряжения 30 подключены полюсные наконечники 25 и 26 (положительному или отрицательному), возможна реализация различных режимов работы источника ионов: ускорение или замедление ионов.
В рассматриваемом примере выполнения корпус 18 источника ионов имеет внутреннюю перемычку 31, соединяющую противоположные торцевые стенки. Анод 20 выполнен замкнутой формы, повторяющей форму выходной щели, и установлен вокруг внутренней перемычки 31 корпуса. В отличие от первого варианта изобретения корпус 18 вместе с внутренней перемычкой 31 может быть полностью выполнен из немагнитного или магнитомягкого материала (см. фиг.10 и 12). В предпочтительном примере выполнения источника ионов (см. фиг.9 и 11) в качестве внутренней перемычки 31 используется дополнительный постоянный магнит. Вектор индукции поля такого магнита (перемычки 31) ориентирован параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность (за счет соответствующей полярности магнита) по отношению к вектору индукции поля магнита 22, установленного с внешней стороны корпуса 18.
В примере выполнения источника ионов, показанном на фиг.9 и 11, вокруг анода 20 между торцевыми стенками 19 и 32 корпуса 18 установлен дополнительный постоянный магнит 33 замкнутой формы. Вектор индукции поля (полярность) дополнительного магнита 33 ориентирован параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля постоянного магнита 21, установленного напротив него с внешней стороны корпуса 18.
Межполюсные зазоры, образованные между парами полюсных наконечников 23, 24 и 25, 26, образуют замкнутую эмиссионную щель (выходное отверстие для эмиссии ионов). Каждый зазор состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах замыкающими криволинейными участками. Форма межполюсных зазоров аналогична соответствующей форме зазоров в первом варианте изобретения (см фиг. 2). При этом ширина C1 первого прямолинейного участка первого межполюсного забора больше ширины С2 второго прямолинейного участка того же зазора.
Как и в первом варианте изобретения отношение ширины (С1 или С2) первого межполюсного зазора к величине зазора L между поверхностью анода 20 и противоположными кромками полюсных наконечников 23 и 24, образующих первый межполюсный зазор, соответствует диапазону оптимальных соотношений 1-20. Средняя шероховатость рабочей поверхности анода 20 и поверхностей полюсных наконечников 23, 24, 25 и 26, обращенных к разрядному каналу, составляет 5 мкм.
В состав источника ионов может входить отдельный газораспределительный блок, конструктивно не связанный с анодом 20. Конструкция такого блока показана на фиг. 7 и 8. Как и в первом варианте изобретения в состав газораспределительного блока входит торцевая стенка корпуса, являющаяся частью магнитопровода. Газораспределитель соединен с полостью корпуса через выходные каналы 14 одинакового диаметра, равномерно расположенные по внутренней стенке корпуса в два ряда - вдоль прямолинейных участков замкнутой эмиссионной щели. В стенке корпуса выполняется входное отверстие 15, сообщенное через каскад параллельно-последовательно соединенных каналов 16 с двумя параллельно расположенными коллекторами 17. Выходные каналы 14 соединены с коллекторами 17 и расположены вдоль них на равном расстоянии Н друг от друга (см. фиг.8). Входное отверстие 15 соединяется через входной штуцер с системой подачи рабочего газа (не показаны). Каналы 16, соединяющие входное отверстие 15 с выходными каналами 14, имеют равное газодинамическое сопротивление, что обеспечивает равенство расходов газа, подаваемого в разрядный объем через выходные каналы 14. Равенство расходов газа через каналы 14 обеспечивается также за счет того, что каждый канал 16 в месте его соединения с коллектором 17 расположен между двумя соседними выходными каналами 14, а между двумя соседними входами каналов 16 в коллектор 17 расположены два выходных канала 14 (см. фиг.7).
Работа источника ионов с ленточным пучком, выполненного согласно первому варианту изобретения, осуществляется следующим образом.
При включении системы подачи рабочего газа осуществляется равномерное заполнение им разрядного объема между анодом 3 и катодом. Равномерная подача рабочего газа по сечению выходного отверстия для эмиссии ионов осуществляется при использовании газораспределителя, изображенного на фиг.6, 7 и 8. Газ поступает из системы подачи во входное отверстие 15, из которого он следует по каскаду параллельно-последовательно соединенных каналов 16, имеющих равное газодинамическое сопротивление. Затем газ из каналов 16 с одинаковыми расходами поступает в коллектор 17, с которыми соединены выходные каналы 14, расположенные на равном расстоянии Н друг от друга. Выходные каналы 14 расположены в два ряда на задней стенке корпуса 1.
Равенство расходов газа через каждый канал 14 обеспечивается за счет того, что каналы 16 подключены к коллектору 17 между двумя выходными каналами 14, а между двумя соседними входами в коллектор 17 каналов 16 расположены два выходных канала 14. При таком подключении каналов 16 поток газа разделяется на входе в коллектор на два потока одинакового расхода, каждый из которых направляется к одному выходному каналу 14. Все каналы 14 имеют одинаковое сечение и равномерно расположены относительно выходного отверстия источника ионов, поэтому вдоль протяженных межполюсных зазоров формируется равномерный по сечению поток газа. Отличительной особенностью используемого газораспределителя является то, что газодинамическое сопротивление каждого из каналов 16, соединяющих одно входное отверстие 15 с выходными каналами 14, равны независимо от их количества. Данный принцип реализуется за счет последовательного каскадного деления входного газового потока на множество равных по расходу газовых потоков за счет того, что каждый последующий канал имеет одно входное и два выходных отверстия, равноудаленных от входного отверстия 15. При этом выходные отверстия каждой предыдущей части каскада каналов являются входными отверстиями для последующего каскада каналов. За счет равенства проходных сечений образованные таким образом каналы 16 имеют одинаковое газодинамическое сопротивление. В зависимости от требований к равномерности распределения газового потока расстояния Н между выходными каналами 14 может составлять от 5 до 50 мм. В источнике ионов могут использоваться несколько газораспределительных блоков, установленных на задней стенке корпуса 1 вдоль выходного отверстия (эмиссионной щели).
Затем с помощью источника напряжения 11 между анодом 3, расположенным внутри корпуса 1, и полюсными наконечниками 7, 8 и 9, 10 создается продольное электрическое поле (см. фиг.1 и 3). Одновременно между полюсными наконечниками 7 и 8, 9 и 10 с помощью источников магнитодвижущей силы (постоянных магнитов 5, 6, 12 и 13) создается магнитное поле в первом и втором межполюсных зазорах. Вектор индукции магнитного поля в межполюсных зазорах перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. В скрещенных электрическом и магнитном полях вследствие эффекта Холла в области каждого межполюсного зазора возникает азимутально замкнутый дрейф электронов. Напряженность магнитного поля в источниках ионов подобного типа (с холловским током и короткой зоной ускорения) выбирается такой, чтобы в межполюсных зазорах электроны были замагничены, а ионы оставались незамагниченными. Вследствие этого в межполюсных зазорах источника ионов образуются азимутально замкнутые электронные токи, посредством которых осуществляется ионизация рабочего газа. При взаимодействии дрейфовых электронных токов с магнитным полем происходит ускорение образовавшихся ионов под действием электромагнитных сил.
Учитывая, что самостоятельные высоковольтные газовые разряды постоянного тока могут поддерживаться, если межэлектродное расстояние более "темного катодного пространства" тлеющего разряда, анод 3 устанавливается по отношению к внутренним поверхностям корпуса 1 на расстоянии, меньшем, чем "темное катодное пространство. Такое взаимное расположение корпуса 1 и анода 3 исключает электрические пробои и зажигание паразитных электрических разрядов внутри источника ионов. Кроме того, как показали проведенные эксперименты, важное значение для устойчивости работы источника ионов на выбранном режиме имеет соотношение ширины (C1 или С2) первого межполюсного зазора и межэлектродного расстояния L анод-катод. При изменении ширины межполюсного зазора, что может потребоваться, например, для изменения отношения средней энергии ионов к напряжению разряда в случае перехода от режима ионного распыления (узкое выходное отверстие) к режиму ионного напыления (широкое выходное отверстие), отношение C1 или С2 к L должно находиться в диапазоне от 1 до 20.
Эффективное использование второго межполюсного зазора для дополнительной ионизации рабочего газа и дополнительного ускорения ионов обеспечивается за счет выбора размеров магнитной системы, при которых создается квадрупольная конфигурация магнитного поля с величиной индукции, достаточной для формирования замкнутого холловского тока во втором межполюсном зазоре.
Для этого отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого (наконечники 7 и 8) и второго (наконечники 9 и 10) межполюсных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Таким образом, расстояние между парами полюсных наконечников выбирается не более чем 20•C1 или 20•С2. Данное граничное значение, как показали проведенные эксперименты, определяет возможность эффективного влияния на интенсивность пучка ионов и среднюю энергию ионов во всем диапазоне рабочих параметров источника ионов посредством эффективного использования магнитного поля, создаваемого во втором межполюсном зазоре. Разомкнутая четырехполюсная (квадрупольная) магнитная система, состоящая из двух пар полюсных наконечников 7, 8 и 9, 10 и постоянных магнитов 5 и 6, создает магнитное поле в межполюсных зазорах, образованных полюсными наконечниками. Такое поле имеет квадрупольное (симметричное или несимметричное) пространственное распределение.
При использовании источника ионов в предпочтительном варианте исполнения, показанном на фиг.1, осуществляется усиление магнитного поля в межполюсных зазорах и повышается равномерность поля. Это связано с тем, что магнитная система включает в свой состав дополнительные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде постоянных магнитов 12 и 13. Магнит 12 используется в качестве внутренней перемычки корпуса 1. Магнит 13 (или несколько магнитов) устанавливается между торцевыми стенками 2 и 4 вокруг анода 3. Магниты 12 и 13 расположены таким образом, что векторы индукции их поля имеют противоположную направленность по отношению к вектору индукции соответствующего постоянного магнита 5 или 6, установленного напротив с внешней стороны корпуса 1. Таким образом, магниты 6, 12 и 5, 13 являются однополярными по отношению к полюсным наконечникам 8 и 7 соответственно. В результате этого магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами, складываются в первом межполюсном зазоре. Такая схема магнитной системы позволяет получать сильные магнитные поля высокой равномерности даже в протяженных источниках ионов больших линейных размеров по сравнению с традиционными магнитными системами. Наряду с этим использование дополнительной магнитной системы, помещенной внутри корпуса 1, позволяет выровнять распределение магнитного поля как в нервом, так и во втором межполюсных зазорах.
Использование квадрупольной магнитной системы (симметричной или несимметричной) с полюсными наконечниками 7, 8 и 9, 10, которая образует выходное отверстие для эмиссии ионов (замкнутую эмиссионную щель), позволяет повысить разрядные и ионные токи. Такая магнитная система обеспечивает стабилизацию разряда при напряжениях от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт и позволяет работать без скачкообразных изменений параметров разряда.
В ряде случаев, например при использовании сильных магнитов 5 и 6 или при относительно узких межполюсных зазорах, целесообразно использовать только внешнюю магнитную систему. Источник ионов, изображенный на фиг.3, содержит корпус 1, выполненный из немагнитного материала. Разомкнутая магнитная система источника ионов установлена с внешней стороны корпуса 1 н включает в свой состав постоянные магниты 5 н 6, полюсные наконечники 7, 8, 9 и 10, а также магнитопроводяшую торцевую стенку 4. Применение описанной магнитной системы даст возможность снизить магнитные поля рассеяния внутри корпуса 1, что резко снижает вероятность электрических пробоев между анодом 3 и стенками корпуса 1.
Разомкнутая магнитная система с торцевой магнитопроводящей стенкой 4, выполняющей роль магнитного шунта, повышает эффективность ускорения ионов в первом межполюсном зазоре. Этот эффект объясняется тем, что размещение с обратной стороны корпуса 1 вдоль всей его поверхности магнитного шунта (магнитопроводящей торцевой стенки 4) увеличивает градиент магнитного поля в зазоре L. Так, на фиг.4 сплошная линия изображает кривую изменения величины индукции магнитного поля вдоль направления X эмиссии ионнов для источника ионов, задняя торцевая стенка которого выполнена из немагнитопроводящего материала, а пунктирная линия - кривую изменения индукции магнитного поля для источника ионов, магнитная система которого содержит магнитопроводящую торцевую стенку 4 - магнитный шунт. Из представленной графической зависимости видно, что введение магнитного шунта увеличивает градиент магнитного поля в области размещения анода 3 и частично в области размещения полюсных наконечников 7 и 8 первого межполюсного зазора. При этом использование магнитного шунта фактически не влияет на распределение магнитного поля в пространстве между первым и вторым межполюсными зазорами.
Увеличение градиента магнитного поля в области межполюсного зазора способствует локализации зоны ионизации и ускорения ионов, вследствие чего повышается интенсивность генерируемых ионных пучков, улучшается распределение энергии ионов в пучке и снижаются потери энергии в процессе ионизации рабочего газа и ускорения ионов. Кроме того, экспериментально установлено, что увеличение градиента магнитного поля в межэлектродном зазоре источника ионов с замкнутым дрейфом электронов повышает устойчивость разряда и позволяет повысить разрядный и ионный токи.
Возникающие в скрещенных электрическом и магнитном нолях замкнутые дрейфовые (холловские) электронные токи индуцируют в свою очередь собственные магнитные поля, которые взаимодействуют с магнитным полем, создаваемым магнитной системой источника ионов. Схема взаимодействия генерируемых магнитных полей в первом и втором межполюсных зазорах условно изображена на фиг.5. На представленной схеме изображены отдельные линии дрейфовых электронных токов IH1 и IH2; соответственно в первом и во втором межполюсных зазорах между полюсными наконечниками 7, 8 и 9, 10.
При использовании традиционных магнитных систем в источниках ионов с замкнутым дрейфом электронов направление собственного магнитного поля дрейфового электронного тока противоположно направлению магнитного поля, создаваемого магнитной системой источника в области зоны генерации и ускорения ионов. Данный эффект приводит к ослаблению магнитного поля в разрядном канале источника ионов традиционной конструкции и, следовательно, к ухудшению рабочих характеристик. При использовании четырехполюсной (квадрупольной) магнитной системы, как видно из представленной схемы (фиг.5), направления дрейфовых электронных токов IH1 и IH2 взаимно противоположны и их собственные магнитные поля ВH1 и ВH2 частично компенсируют друг друга в межполюсных зазорах.
Вместе с этим происходит перераспределение магнитных нолей в межполюсных зазорах магнитной системы. Собственное магнитное поле ВH2 дрейфового электронного тока IH2 во втором межполюсном зазоре совпадает по направлению с магнитным полем B1, создаваемым магнитной системой в первом межполюсном зазоре. За счет сложения магнитных полей ВH2 и B1 происходит усиление магнитного поля в первом межполюсном зазоре, то есть в области разрядного канала, где происходит первоначальная ионизация рабочего газа и ускорение ионов. Усиление магнитного поля в этой пространственно ограниченной области способствует стабилизации разряда, увеличению разрядного и ионного токов и расширяет диапазон напряжения разряда.
В четырехполюсной (квадрупольной) магнитной системе в пространстве между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров образуется область, где поперечная составляющая индукции магнитного поля равна нулю (см. фиг.5). С обеих сторон от этой области вектор индукции магнитного поля имеет противоположное направление. В указанной пространственной области электроны не замагничены, поэтому потенциал плазмы, находящейся в ней, отличается от потенциала граничных областей, в которых индукция магнитного поля отлична от нуля и электроны замагничены. Данное явление может использоваться для регулирования энергии ионов посредством управления потенциалом пространственных областей, в которых электроны замагничены.
На величину и конфигурацию магнитного поля влияют абсолютные и относительные размеры межполюсных зазоров и межэлектродного зазора L анод-катод. Такие размеры определяют форму и размеры зоны разряда и вследствие этого они влияют на среднюю энергию ионов в генерируемом ионном пучке. Чем шире межполюсный зазор при постоянном зазоре L, тем ниже средняя энергия ионов. Это связано с увеличением количества ионов, образующихся на низковольтных эквипотенциалях электрического поля, действующего в межэлектродном зазоре. При этом уменьшается отношение средней энергии ионов к напряжению разряда.
Для некоторых технологических задач требуется получение ионного пучка с различной плотностью тока н средней энергией для каждого из параллельных прямолинейных участков, образующих замкнутую эмиссионную щель. Такая задача решается с помощью источника ионов, у которого ширина (С1) одного из прямолинейных участков межполюсного зазора больше ширины (С2) второго прямолинейного участка этого межполюсного зазора (см. фиг.1 и 2). В источнике ионов описанной конструкции одновременно реализуются два режима работы - с узким и с широким эмиссионным отверстием. Как уже было отмечено выше, средняя энергия ионов, извлекаемых из узкого эмиссионного отверстия выше, чем средняя энергия ионов, которые извлекаются из широкого отверстия. При этом величина замкнутого (дрейфового) электронного тока в силу неразрывности тока остается постоянной в двух параллельных прямолинейных щелевых отверстиях, соединенных между собой на концевых участках замыкающими криволинейными участками. Однако плотность тока зависит от сечения разрядного канала, величина которого определяется соотношением C1/L или C2/L для каждого прямолинейного участка замкнутой эмиссионной щели. При одинаковом межэлектродном зазоре L плотность дрейфового электронного тока в узком прямолинейном участке выходного отверстия выше, чем плотность тока в широком прямолинейном участке. В связи с этим плотность ионного тока, извлекаемого из узкого прямолинейного участка, выше, чем плотность ионного тока, извлекаемого из широкого прямолинейного участка эмиссионной щели.
В источнике ионов с короткой зоной ускорения весь приложенный электрический потенциал сосредоточен вблизи анода в узком слое толщиной порядка нескольких ларморовских радиусов электрона. При наличии на рабочей поверхности анода 3 острийных выступов и неровностей (например, в виде шероховатости после механической обработки) электрическое ноле в анодном слое искажается. Такие неровности являются концентраторами напряженности электрического поля. В результате диффузии электронов из анодного слоя происходит снижение концентрации электронов в анодном слое, что в целом ухудшает условия ионизации рабочего газа и снижает интенсивность разряда. Вследствие затруднительного охлаждения и высокой плотности электронного тока такие неровности могут разогреваться до температур плавления и испарения. Данное явление, в свою очередь, может вызвать резкое увеличение концентрации плазмы за счет ионизации паров и дальнейшее повышение плотности электронного тока и еще больший разогрев локальной области анода. Это, в свою очередь, может вызвать колебания и неустойчивости разряда, а при достаточно больших плотностях тока - выход из строя анода. Учитывая возможность указанных крайне нежелательных явлений при работе источника ионов, выполненного согласно настоящему изобретению, используется анод, шероховатость рабочей поверхности которого составляет не более 10 мкм. Кроме того, по названным выше причинам в процессе эксплуатации источника ионов используются полюсные наконечники, шероховатость поверхности которых со стороны разрядного канала составляет не более 10 мкм.
Достижение указанных выше технических результатов подтверждается полученными экспериментальными данными. При использовании источника ионов с ленточным пучком, выполненного согласно первому варианту изобретения с разомкнутым магнитопроводом, получены следующие характеристики.
В первом примере исполнения источник ионов имел следующие размеры: ширина каждого прямолинейного участка первого межполюсного зазора С≈2 мм, длина прямолинейного участка первого зазора L≈2200 мм, ширина каждого прямолинейного участка второго межполюсного зазора D≈24 мм, межэлектродное расстояние анод-катод L≈2 мм, расстояние между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров h ≈16 мм. Рабочий газ - аргон.
При напряженности магнитного поля в первом межполюсном зазоре Н≈3000 Э и напряжении разряда U≈3000 В ток разряда составил I≈4,6 A, ионный ток - Ii≈3,2 А, средняя энергия попов в пучке - Ei≈1400 эВ, при этом неоднородность плотности ионного тока по сечению пучка составляла не более ±3%.
Во втором примере исполнения источник ионов имел следующие размеры: ширина каждого прямолинейного участка первого межполюсного зазора С≈18 мм, длина прямолинейного участка первого зазора L≈2200 мм, ширина каждого прямолинейного участка второго мсжполюсного зазора D≈32 мм, межэлектродное расстояние анод-катод L≈ 2 мм, расстояние между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров h≈16 мм. Рабочий газ - аргон.
При напряженности магнитного поля в первом межполюсном зазоре Н≈800 Э и напряжении разряда U≈1500 В ток разряда составил I≈12,5 А, ионный ток - Ii≈7,2 А, средняя энергия ионов в пучке - Ei≈90 эВ, при этом неоднородность плотности ионного тока по сечению пучка также составляла не более ±3%.
Работа источника ионов с ленточным пучком, выполненного согласно второму варианту изобретения (см. фиг.9-12), осуществляется аналогично описанному выше процессу работы источника ионов, соответствующего первому варианту изобретения.
При включении системы подачи рабочего газа осуществляется равномерное заполнение им разрядного объема между анодом 20 и катодом, в качестве которого используются полюсные наконечники 23 и 24, являющиеся частями торцевой стенки 19 корпуса 18. Равномерная подача рабочего газа по сечению замкнутой эмиссионной щели осуществляется с помощью газораспределителя, изображенного на фиг.7 и 8.
С помощью источника напряжения 29 между анодом 20 и полюсными наконечниками 23 и 24 создается продольное электрическое поле (см. фиг.9-12). Одновременно между полюсными наконечниками 23, 24 и 25, 26 создается магнитное поле в первом и втором межполюсных зазорах, вектор индукции которого перпендикулярен вектору напряженности электрического поля. Источниками магнитодвижущей силы служат постоянные магниты 21 и 22, установленные между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров. Кроме того, могут использоваться дополнительные постоянные магниты, первый из которых используется в качестве внутренней перемычки 31 корпуса 18, а второй магнит 33 устанавливается вокруг анода 20, образуя боковую стенку корпуса 18 (см. фиг.9 и 11). За счет применения в конструкции источника ионов дополнительных магнитов осуществляется усиление магнитного поля в межполюсных зазорах и повышается равномерность поля.
В скрещенных электрическом и магнитном полях в области каждого межполюсного забора вследствие эффекта Холла возникает азимутально замкнутый дрейф электронов. При взаимодейтвии замкнутых электронных токов с магнитным полем происходит ускорение образовавшихся ионов под действием электромагнитных сил.
Эффективное использование второго межполюсного зазора для дополнительной ионизации рабочего газа и дополнительного ускорения ионов обеспечивается за счет выбора размеров магнитной системы, при которых создастся квазиквадрупольная конфигурация магнитного поля с величиной индукции, достаточной для формирования замкнутого холловского тока во втором межполюсном зазоре. Для этого отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого (наконечники 23 и 24) и второго (наконечники 25 и 26) межполюсных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05.
Магнитное поле в области выходного отверстия источника ионов может создаваться с помощью различных вариантов исполнения магнитной системы:
в виде разомкнутого магнитопровода, образованного полюсными наконечниками 23, 24, 25, 26 и магнитопроводящей торцевой стенкой 32 (см. фиг.9 и 11);
в виде частично замкнутого магнитопровода, состоящего из магнитопроводящего корпуса 18 и полюсных наконечников 23, 24, 25, 26 (см. фиг.10 и 12);
в виде разомкнутого магнитопровода, образованного только полюсными наконечниками 23, 24, 25, 26, в случае выполнения корпуса 18 из немагнитного материала (см. фиг.10 и 12).
Получение ионного пучка с различной плотностью тока и средней энергией для каждого из параллельных прямолинейных участков, образующих выходное отверстие для эмиссии ионов, осуществляется с помощью источника ионов, у которого ширина (С1) одного из прямолинейных участков межполюсного зазора больше ширины (С2) второго прямолинейного участка этого межполюсного зазора (аналогично первому варианту изобретения, как это изображено на фиг.2).
В целях снижения колебаний и исключения неустойчивостей разряда, а также для повышения надежности и увеличения ресурса источника ионов используется анод, шероховатость рабочей поверхности которого составляет не более 10 мкм. Кроме того, используются полюсные наконечники, шероховатость поверхности которых со стороны разрядного канала также составляет не более 10 мкм.
В источнике ионов, выполненном согласно второму варианту изобретения, реализуется возможность регулирования интенсивности и энергии ионов. Такая возможность связана с существованием в пространстве между двумя парами полюсных наконечников 23, 24 и 25, 26 четырехполюсной (квадрупольной) магнитной системы пространственной области с незамагниченными электронами, в которой величина поперечной составляющей индукции поля равна нулю.
Возможность регулирования энергии и интенсивности ионного пучка обеспечивается за счет электроизоляции полюсных наконечников 25 и 26 второго межполюсного зазора. Электроизоляция осуществляется посредством выполнения постоянных магнитов 21 и 22 из материала с высокой диэлектрической проницаемостью либо за счет использования диэлектрических вставок 27 и 28 между полюсными наконечниками 25, 26 и постоянными магнитами 21 и 22 (см. фиг.9 - 12).
Полюсные наконечники 25 и 26 второго межполюсного зазора могут находиться под плавающим потенциалом (см. фиг.9 и 10) либо они могут быть подключены к полюсам положительной или отрицательной полярности источника напряжения 30 (см. фиг. 11 и 12). При этом полюсные наконечники 23 и 24 подключаются к противоположным полюсам источника напряжения 30.
В процессе работы источника ионов пространственная область плазмы, где поперечная составляющая индукции магнитного поля равна нулю, может принимать либо плавающий потенциал, если полюсные наконечники 25 и 26 не подключены к источнику напряжения 30. При подключении полюсных наконечников к соответствующему полюсу источника напряжения 30 область плазмы с нулевым магнитным полем может принимать положительный потенциал и служить виртуальным анодом относительно полюсных наконечников 23 и 24 или принимать отрицательный потенциал и служить виртуальным катодом (см. фиг.11 и 12). В последних двух случаях в источнике ионов реализуется вторая ступень с замкнутым дрейфовым током электронов, которая позволяет регулировать энергию ионов пучка посредством их дополнительного ускорения или замедления. Указанное преимущество реализуется за счет использования четырехполюсной (квадрупольной) магнитной системы с выбранным согласно изобретению соотношением размеров межполюсных зазоров и расстояния между двумя последовательно расположенными межполюсными зазорами.
Достижение указанных выше технических результатов подтверждается полученными экспериментальными данными. При использовании источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения, при работе в одном из режимов получены следующие характеристики. Средняя энергия ионов в пучке Еi составляла ≈600 эВ, неоднородность плотности ионного тока по сечению пучка составляла не более ±3%. При указанных параметрах при подаче напряжения на электроизолированные полюсные наконечники второго межполюсного зазора положительной или отрицательной полярности осуществлялось регулирование средней энергии ионов в пучке в пределах от +42% до -20% от величины Еi.
Представленные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности генерации интенсивных ионных пучков с однородным распределением плотности тока по сечению пучка (вдоль замкнутой эмиссионной щели ), а также о возможности управления энергией ионов в пучке в достаточно широком диапазоне. Хотя представленные примеры реализации изобретения относятся к типу источников ионов с протяженным ленточным пучком, который наиболее приемлем для широкого спектра технологических процессов, возможна реализация изобретения и для других типов источников ионов, имеющих иную форму замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов. Так, например, изобретение может быть реализовано аналогичным образом с достижением технических результатов в источниках ионов с замкнутым дрейфом электронов, имеющих традиционную кольцевую форму замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов.
Изобретение может применяться в технологических установках различных типов, которые предназначены для ионно-лучевой обработки изделий с помощью интенсивных пучков ионов. В составе таких установок источник ионов с ленточным пучком может использоваться с целью ионно-лучевого и реактивного ионно-лучевого травления материалов, очистки, активации и полировки обрабатываемых поверхностей деталей, а также для нанесения покрытий в вакууме. Ых
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВО ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2014 |
|
RU2595266C2 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 2011 |
|
RU2474984C1 |
| Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов | 2022 |
|
RU2795453C1 |
| МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ПРОТЯЖЕННЫМ КАТОДОМ | 2014 |
|
RU2575018C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ ПЕННИНГОВСКОГО РАЗРЯДА С РАДИАЛЬНО СХОДЯЩИМСЯ ЛЕНТОЧНЫМ ПУЧКОМ | 2003 |
|
RU2256979C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 1998 |
|
RU2139647C1 |
| ИСТОЧНИК ИОНОВ | 2003 |
|
RU2248064C1 |
| ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ | 2012 |
|
RU2482217C1 |
| ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 1992 |
|
RU2030807C1 |
| ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 2017 |
|
RU2656851C1 |
Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к устройствам, предназначенным для получения интенсивных пучков ионов, которые могут использоваться в ионно-лучевых технологиях. Торцевая стенка корпуса источника ионов, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части этой торцевой стенки, разделенные выходным отверстием, служат полюсными наконечниками магнитной системы, которые образуют первый межполюсный зазор. В состав магнитной системы входят полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутого выходного отверстия вдоль направления эмиссии ионов. Источник магнитодвижущей силы установлен в пространстве между двумя группами магнитных полюсов. Отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого и второго магнитных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Согласно первому варианту изобретения торцевая стенка корпуса со стороны, противоположной выходному отверстию, выполнена из магнитопроводящего материала и образует вместе с полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров разомкнутый магнитопровод. Согласно второму варианту изобретения полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор, электроизолированы от корпуса и от полюсных наконечников, образующих первый межполюсный зазор. Технический результат - изобретение позволяет повысить интенсивность генерируемого ионного пучка и энергию ионов при условии однородного распределения плотности ионного тока по сечению пучка, а также обеспечивается возможность регулирования энергии ионов в пучке. 2 с. и 29 з.п.ф-лы, 12 ил.
| US 4277304 A, 07.07.1981 | |||
| ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ | 1992 |
|
RU2030807C1 |
| US 5763989 A, 09.06.1998 | |||
| EP 0541309 A1, 12.05.1993 | |||
| US 4122347 A, 24.10.1987 | |||
| EP 0463408 A3, 02.01.1992 | |||
| US 5646476 A, 08.07.1997. | |||
