ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК С ПОЛЫМ КАТОДОМ Российский патент 2003 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к плазменным источникам ионов и электронов, используемым, например, в микроэлектронике при катодном распылении веществ, а также в масс-спектрометрии при элементном анализе твердых тел с высокой чувствительностью методом тлеющего разряда.

Обычно в масс-спектрометрии для этой цели использовался источник тлеющего разряда с квазипланарной конфигурацией электродов [Inorganic Mass Spectrometry. Ed. by F.Adams, R.Gijbels, R. Van Grieken. J.Willey&Sons, Inc. 1989, 404].

Источник содержит образец в виде стержня или диска, который является катодом. Образец помещен в разрядную камеру источника, которая являлась анодом. На электроды через балластное сопротивление подавалось напряжение до 1 кВ. В разрядной камере этого источника анализируемый образец распылялся ионами аргона, распыленные атомы ионизировались в плазме разряда и вытягивались электрическим полем через отверстие в разрядной камере.

Недостатком источников тлеющего разряда является то, что их фон на 3-4 порядка превышает уровень фона других плазменных ионных источников, что требует дополнительных мер по его уменьшению, но эти меры в то же время существенно уменьшают производительность анализа и снижают популярность метода.

Известен принятый за прототип плазменный ионный источник, содержащий разрядную камеру с выходной щелью, по центральной оси которой помещен полый катод, соединенный с источником высокого напряжения, а также систему вытягивания и фокусировки ионов [RU 2174676 C1, G 01 N 21/62, 10.10.2001]. При этом анализируемый образец устанавливался вдоль оси полого катода. Плазмообразующий газ по капилляру через дно полого катода непосредственно из атмосферы вводился в его полость. Напротив полого катода в стенке разрядной камеры имелось отверстие диаметром около 1 мм для откачки камеры и вытягивания ионов.

Однако несмотря на то, что распыление анализируемого образца в этом источнике протекает более эффективно, что генерируемая плазма имеет более высокую плотность, его уровень фона также высок, как и в вышеописанном. Этот уровень фона определяется скоростью десорбции загрязнений плазмой тлеющего разряда с внутренних стенок разрядной камеры.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи увеличения эффективности и повышения производительности ионного источника при анализе твердых тел за счет уменьшения интенсивности десорбции загрязнений с поверхности деталей разрядной камеры из-за снижения плотности плазмы в разрядной камере путем уменьшения давления плазмообразующего газа.

Сущность изобретения заключается в том, что в плазменном источнике с полым катодом, содержащем разрядную камеру с выходным отверстием, по центральной оси которого размещен полый катод, соединенный с источником высокого напряжения, а также систему вытягивания и фокусировки ионов, новым является то, что вершина полого катода сужена до величины, составляющей от 10 до 90% внутреннего диаметра полого катода. При этом вершина может иметь выпуклую, вогнутую или плоскую форму.

Наиболее эффективна камера с выходным отверстием, диаметр которого составляет 2-10 мм.

Сужение вершины полого катода позволяет локализовать зону существования самостоятельного тлеющего разряда внутри катодной полости источника. В обычном источнике с полым катодом самостоятельный тлеющий разряд существовал в катодной полости и вне ее благодаря геометрическим размерам и одинаковому давлению газа в этих областях. Внутри катодной полости происходило распыление анализируемого образца и ионизация распыленного материала, вне катодной полости - десорбция загрязнений и их ионизация. Предлагаемое изобретение позволяет сосредоточить самостоятельный тлеющий разряд только в катодной полости и резко уменьшить плотность плазмы в разрядной камере.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведена схема плазменного источника с полым катодом, имеющим отверстие на выпуклой вершине, а на фиг.2 приведена схема плазменного источника с полым катодом, имеющим отверстие на вогнутой вершине полого катода.

Ионный источник включает разрядную камеру 1, которая одновременно является анодом, полый катод 2 с образцом 3, на вершине полого катода 2 выполнено отверстие 4, напротив которого по центральной оси полого катода в разрядной камере 1 выполнено выходное отверстие 5 для вытягивания ионов. Для ввода газа в полый катод он снабжен капилляром 6.

Источник работает следующим образом.

По капилляру 6 в полый катод 2 и далее через отверстие 4 в разрядную камеру 1 подается плазмообразующий газ. На полый катод 2 через балластное сопротивление подается отрицательное напряжение до 3 кВ. После зажигания разряда напряжение падает до 0.3-0.5 кВ. В полости катода перед отверстием 4 возникает плазменный "пузырь", который играет роль "пробки", препятствующей выходу плазмообразующего газа из катодной полости. В то же время плазма проникает сквозь плазменный "пузырь" в разрядную камеру. В результате давление газа в полости катода 2 возрастает, а в разрядной камере 1 уменьшается. Образуется разность давлений. Эта разность давлений зависит от диаметра отверстия на вершине катодной полости. При этом самостоятельный тлеющий разряд сосредотачивается в области высокого давления в катодной полости. В области низкого давления его интенсивность резко уменьшается. В наших экспериментах перепад давлений составлял от 1 до 2,5 порядков. Например, если в полом катоде с внутренним диаметром 20 мм, с отверстием в вершине катода 4 мм горит разряд при давлении 7-8 Па, то давление вне полого катода может быть уменьшено до 0,03-0,05 Па. В экспериментах использовались полые катоды с внутренним диаметром до 20 мм с отверстием в вершине от 18 до 2 мм. При этом вершина может быть выпуклой, вогнутой или плоской, форма плазменного "пузыря" и перепад давлений от этого не зависят.

При низком давлении самостоятельный тлеющий разряд в разрядной камере существовать не может, разряд сосредоточен непосредственно в полом катоде, скорость десорбции загрязнений с поверхности деталей резко уменьшается, соответственно фон ионного источника по адсорбированным газам и углеводородам падает в 100-1000 раз.

Для более эффективной откачки разрядной камеры в процессе обезгаживания и предварительного распыления выходное отверстие 5, экстрагирующее ионы из разрядной камеры, увеличивается в диаметре до 2-10 мм. Соответственно, увеличивается вытягиваемый из разрядной камеры ионный ток, в результате увеличивается амплитуда сигнала и, следовательно, скорость получения масс-спектра.

Использование: в микроэлектронике при катодном распылении веществ, а также в масс-спектрометрии при элементном анализе твердых тел с высокой чувствительностью методом тлеющего разряда. Сущность изобретения: плазменный источник с полым катодом включает разрядную камеру, которая одновременно является анодом, полый катод с образцом, на вершине полого катода выполнено отверстие, напротив которого по центральной оси полого катода в разрядной камере выполнено выходное отверстие для вытягивания ионов. Для ввода газа в полый катод он снабжен капилляром. При этом вершина полого катода сужена до величины, составляющей от 10 до 90% внутреннего диаметра полого катода. Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности и повышение производительности ионного источника при анализе твердых тел за счет уменьшения интенсивности десорбции загрязнений с поверхности деталей разрядной камеры из-за снижения плотности плазмы в разрядной камере путем уменьшения давления плазмообразующего газа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плазменный источник с полым катодом, содержащий разрядную камеру с выходным отверстием, по центральной оси которой размещен полый катод, соединенный с источником высокого напряжения, а также систему вытягивания и фокусировки ионов, отличающийся тем, что вершина полого катода сужена до величины, составляющей от 10 до 90% внутреннего диаметра полого катода. 2. Плазменный источник по п. 1, отличающийся тем, что диаметр выходного отверстия составляет 2-10 мм.