ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 2009 года по МПК H01J3/04 H01J37/08 

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. Изобретение может применяться в технологических установках, в которых используются ионные пучки для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации, очистки поверхностей и модификации поверхностных свойств материалов.

В настоящее время известны различные виды плазменных источников ионов, в состав которых входят холодные катоды. Так, например, из японской патентной заявки JP 57011448 (МПК - H01J 3/04, 27/08, дата публикации 21.01.82) известно газоразрядное устройство с полым катодом. Такое устройство используется в составе источников ионов. Электроны, генерируемые в полости катода, извлекаются в расширительную камеру вдоль силовых линий магнитного поля определенной пространственной конфигурации. Магнитное поле в таком устройстве создается с помощью магнитной системы, состоящей из нескольких электромагнитных катушек, установленных вокруг камеры полого катода. Конструкция этого устройства позволяет снизить энергозатраты на генерацию основного разряда и, соответственно, на генерацию широкоапертурного ионного пучка.

Другой плазменный ионный источник, описанный в патенте США №4782235 (МПК-H01J 27/02, дата публикации 01.11.1988), содержит полый катод, расширительную анодную камеру и магнитную систему. В состав магнитной системы входит магнитопровод, образующий магнитный зазор между двумя кольцевыми полюсами, через который осуществляется извлечение ионов в расширительную камеру. Такое конструктивное выполнение источника ионов позволяет повысить его газовую и энергетическую эффективность, а также увеличить извлекаемый ионный ток.

Плазменные источники ионов с холодными полыми катодами находят все более широкое применение в различных ионно-лучевых технологиях. Разработаны источники ионов, работающие как на инертных, так и на химически активных газах. В таких источниках, содержащих анодную камеру, отделенную от полого катода, используется полый холодный катод, в полости которого создается магнитное поле для стабилизации разряда. Величина ионного тока в источниках ионов такого типа составляет от 100 до 300 мА в зависимости от диаметра выходного отверстия разрядной камеры. Разрядное напряжение между стенками полого катода и анодной камерой выбирается в диапазоне от 350 до 550 В.

Однако интенсивные широкоапертурные ионные пучки, генерируемые с помощью описанных выше плазменных источников ионов, обладают низкой однородностью распределения плотности тока по сечению пучка. Неоднородность плотности ионного тока в таких источниках ионов обусловлена неравномерным распределением концентрации заряженных частиц в анодной камере вблизи ее эмиссионного отверстия. Величина неоднородности ионного тока обычно превышает 10% от средней плотности ионного тока, что существенно ограничивает возможность использования таких источников ионов в составе ионно-лучевых технологических установок, предназначенных для обработки различных материалов пучками большого сечения.

Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является плазменный источник ионов, конструкция которого раскрыта в патенте РФ №2167466С1 (МПК - H01J 3/04, 37/08, дата публикации 20.05.2001). Известный источник ионов содержит катодную камеру с газовводом, полый анод, образующий анодную камеру, электростатическую систему извлечения ионов с электроизолированным эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры. В катодной камере установлен электрод инициации разряда, электрически соединенный с полым анодом. У выходного отверстия катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры. В дополнительном электроде выполнено отверстие, диаметр которого не превышает 10% от максимального внутреннего поперечного размера полого анода. Анодная камера сообщена с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в торцевой стенке последней, и через отверстие, выполненное в дополнительном электроде. Источник ионов включает в свой состав магнитную систему, обеспечивающую создание в катодной и анодной камерах магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления. Кроме того, величина индукции магнитного поля спадает в направлении от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и по направлению к выходным отверстиям камер.

Использование магнитной системы с осевым направлением вектора магнитной индукции обеспечивает снижение неравномерности распределения концентрации заряженных частиц в камерах и снижение потерь генерируемых ионов на стенках камер. Данный источник ионов позволяет генерировать широкоапертурные ионные пучки инертных и химически активных газов с достаточно высокой однородностью плотности ионного тока. При использовании известного источника ионов неоднородность распределения плотности ионного тока по сечению пучка диаметром 40 мм не превышала 5%. Однако необходимо отметить, что требуемая равномерность распределения высокоэнергетичных электронов в объеме анодной камеры известного источника ионов достигается за счет применения специального отражателя электронов, установленного напротив отверстия в дополнительном электроде. Вместе с тем высокая однородность плотности ионного тока по сечению пучка достигалась при работе источника ионов с интенсивностью извлекаемого ионного тока в ограниченном диапазоне значений: от 20 до 70 мА.

При увеличении интенсивности извлекаемого ионного тока до 100÷120 мА в процессе работы плазменного источника ионов наблюдается образование так называемой «спицы»: осевой области в анодной камере с существенно высокой плотностью тока по сравнению с периферийными областями. В этом случае отклонение от среднего уровня плотности ионного тока может достигать до 70%. Кроме того, применение отражателя электронов, установленного в анодной камере для выравнивания плотности ионного тока, и использование сложной магнитной системы существенно усложняют конструкцию источника ионов.

В основу изобретения положена задача, связанная с повышением равномерности распределения заряженных частиц в анодной камере и, соответственно, равномерности распределения плотности тока по сечению широкоапертурного пучка при увеличении извлекаемого ионного тока до значений более 100 мА. Другой задачей изобретения является исключение отражателя высокоэнергетичных электронов из состава устройства и существенное упрощение магнитной системы.

Решение перечисленных задач позволяет обеспечить достижение нового технического результата: повысить величину извлекаемого ионного тока широкоапертурного пучка при заданной однородности плотности тока по сечению пучка. Вместе с тем изобретение направлено на упрощение конструкции источника ионов за счет исключения дополнительных элементов конструкции, в том числе отражателя и элементов магнитной системы, размещенных в разрядном объеме источника ионов.

Перечисленные технические результаты обеспечиваются за счет использования плазменного источника ионов, содержащего катодную камеру, снабженную патрубком ввода газа и электродом инициации разряда, полый анод, образующий анодную камеру, систему извлечения ионов с эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры, и магнитную систему, обеспечивающую создание магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления в катодной и анодной камерах. Источник ионов содержит также дополнительный электрод, электроизолированный от катодной камеры и установленный между катодной и анодной камерами. В дополнительном электроде выполнено, по меньшей мере, одно отверстие. Катодная и анодная камеры сообщены между собой через выходное отверстие катодной камеры, выполненное в торцевой стенке катодной камеры, отверстие, выполненное в дополнительном электроде, и входное отверстие анодной камеры, выполненное в торцевой стенке анодной камеры.

Диаметр d отверстия в дополнительном электроде согласно изобретению выбран из условия: 0,1 мм<d<1 мм. Магнитная система содержит, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, установленный коаксиально дополнительному электроду и создающий в отверстии дополнительного электрода магнитное поле в осевом направлении с величиной индукции от 2 до 15 мТл. Магнитная система выполнена таким образом, чтобы величина индукции магнитного поля В уменьшалась в осевом направлении от дополнительного электрода к эмиссионному электроду и от дополнительного электрода к торцевой стенке катодной камеры, противоположной по отношению к выходному отверстию, до значения не более 0,6 В.

Совокупность перечисленных существенных признаков изобретения обеспечивает достижение нового технического результата, связанного с повышением однородности распределения плотности ионного тока по сечению интенсивного ионного пучка с величиной тока более 100 мА. Данный эффект достигается без использования дополнительных элементов конструкции по сравнению с выбранным прототипом за счет реализации условий для равномерного распределения концентрации заряженных частиц в объеме анодной камеры вблизи ее эмиссионного отверстия.

В процессе работы плазменного источника ионов электроны, эмитированные с поверхности катода, ускоряясь в катодном слое, пересекают полость катодной камеры и попадают в область катодного слоя у противоположной стенки камеры. Осцилляция электронов продолжается до тех пор, пока они не попадут в область выходного отверстия, выполненного в торцевой стенке катодной камеры. Данное выходное отверстие сообщено с одним или несколькими отверстиями, выполненными в дополнительном электроде, который электроизолирован от катодной камеры.

Наложение осевого магнитного поля в катодной и анодной камерах затрудняет движение электронов в радиальном направлении, главным образом в области выходного отверстия катодной камеры и входного отверстия анодной камеры, где величина индукции магнитного поля достигает максимального уровня. Вместе с тем увеличение магнитной индукции магнитного поля в области выходного отверстия катодной камеры создает оптимальные условия для осцилляции электронов в объеме катодной камеры. Вследствие этого увеличивается длина траектории свободного движения электронов в катодной камере и повышается вероятность неупругого столкновения частиц. В этом случае повышается вероятность ионизации рабочего газа. Создание заданной конфигурации магнитного поля в области отверстий дополнительного электрода с определенным значением величины индукции поля (от 2 до 15 мТл) в целом позволяет увеличить время жизни электронов и повысить вероятность ионизации атомов рабочего газа.

Вместе с тем существенное значение имеет поперечный размер отверстия (или нескольких отверстий) в дополнительном электроде, который находится под плавающим потенциалом в процессе работы источника ионов. При выборе диаметра отверстий в дополнительном электроде согласно установленному условию (0,1 мм<d<1 мм) исключается возможность влияния разрядного напряжения между катодной и анодной камерами на энергетическое распределение извлекаемых ионов. В этом случае энергия и плотность тока извлекаемых из анодной камеры ионов регулируются путем изменения величины потенциалов на электродах ионно-оптической системы извлечения ионов.

Минимальный размер отверстий в дополнительном электроде (0,1 мм<d) определяется из условия превышения радиуса Дебая, т.е. условия, при выполнении которого обеспечивается нахождение рабочего вещества в состоянии плазмы. Таким образом, определенный выбор размера отверстий в дополнительном электроде позволяет поддерживать плазменное состояние рабочего газа в области каналов отверстий, выполненных в дополнительном электроде, при характерных для газоразрядных источников ионов режимах работы. При данных условиях обеспечивается проникновение электрического поля через отверстия из анодной камеры в катодную камеру, что необходимо для извлечения электронов из катодной в анодную камеру.

Максимальный размер отверстия в дополнительном электроде (d<1 мм) ограничивается размером прикатодной области падения потенциала, характерным для данного типа устройств. Следовательно, при выполнении условия 0,1 мм<d<1 мм в плазменном источнике ионов исключается влияние катодного потенциала на пространственный потенциал анодной камеры.

Выполнение перечисленных выше условий в целом обеспечивает возможность равномерного распределения потенциала в объеме анодной камеры и концентрации заряженных частиц вблизи эмиссионного отверстия. Данная возможность определяет требуемую степень однородности распределения плотности тока по сечению извлекаемого ионного пучка.

В дополнительном электроде может быть выполнено несколько отверстий с диаметром d. В этом случае отверстия должны быть расположены на расстоянии не менее 2d между центрами близлежащих отверстий. Суммарная площадь S_Σ поперечных сечений отверстий в дополнительном электроде выбирается из условия 0,03 мм²<S_Σ<3 мм².

В предпочтительном варианте конструкции источника ионов в дополнительном электроде выполняется пять отверстий, одно из которых расположено соосно продольной оси симметрии дополнительного электрода, а четыре других отверстия расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности.

Для обеспечения требуемого теплового режима плазменного источника ионов катодная камера в предпочтительном варианте выполнения может быть снабжена системой принудительного охлаждения.

Возможны различные варианты выполнения источника магнитодвижущей силы магнитной системы, в качестве которого может использоваться сборка постоянных магнитов или электромагнитная катушка кольцеобразной формы.

Дополнительный электрод преимущественно выполняется с выступом, направленным в сторону полости катодной камеры. В этом случае отверстие находится в выступе дополнительного электрода. Выступ дополнительного электрода может иметь форму усеченного конуса. Данная форма выполнения дополнительного электрода служит для облегчения условий зажигания и поддержания электрического разряда между катодной и анодной камерами за счет применения концентраторов электрического поля в виде выступов электрода.

В предпочтительном варианте выполнения источника ионов анодная камера может быть снабжена заземленным корпусом, который электрически соединяется с дополнительным электродом.

Изобретение поясняется описанием конкретного примера выполнения плазменного источника ионов, предназначенного для использования в составе ионно-лучевой технологической установки.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 схематично изображен продольный разрез плазменного источника ионов,

на фиг.2 схематично изображен поперечный разрез анодной камеры плазменного источника ионов, показанного на фиг.1 (разрез А-А),

на фиг.3 изображена схема электропитания плазменного источника ионов,

на фиг.4 изображен график изменения величины индукции магнитного поля в

относительных единицах B_z/B_max вдоль продольной оси симметрии Z катодной и анодной камер.

В состав плазменного источника ионов, изображенного на фиг.1 и 2, входит катодная камера 1 с патрубком 2 ввода газа, который выполняет также функцию электрода инициации разряда, и полый анод 3, образующий анодную камеру 4. Между катодной и анодной камерами 1 и 4 установлен дополнительный электрод 5, электроизолированный от катодной камеры 1 с помощью кольцевого изолятора 6 и электрически соединенный с заземленным корпусом 7 анодной камеры 4. Полый анод 3 электроизолирован от корпуса 7 с помощью трех изоляторов 8, равномерно установленных по окружности между полым анодом 3 и корпусом 7 (см. фиг.2).

В дополнительном электроде 5 выполнено пять отверстий 9 диаметром d=0,5 мм в соответствии с условием 0,1 мм<d<1 мм. Одно из отверстий 9 расположено соосно выходному отверстию катодной камеры 1 и входному отверстию анодной камеры 4, а четыре других отверстия равномерно расположены по окружности вокруг осевого отверстия (см фиг.2). Все отверстия 9 расположены на равном расстоянии l=5 мм друг от друга. В данном случае выполняется условие l>2d. Суммарная площадь поперечных сечений отверстий 9 в дополнительном электроде 5 составляет 2,4 мм² в соответствии с условием 0,03 мм²<S_Σ<3 мм². Отверстия 9 образованы в выступах, выполненных на поверхности дополнительного электрода 5. Выступы обращены в сторону полости катодной камеры 1 и имеют форму усеченного конуса в области отверстий 9.

Катодная камера 1 и полый анод 3 выполнены в виде полых стальных цилиндров и имеют внутренний диаметр 50 мм. Катодная камера 1 выполнена с возможностью принудительного охлаждения. Для этого она снабжена трубками 10, образующими внешнюю стенку катодной камеры 1, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Трубки 10 изготовлены из жаропрочной нержавеющей стали и электроизолированы от других элементов конструкции источника ионов.

Анодная и катодная камеры сообщены между собой через выходное отверстие катодной камеры 1, выполненное в ее торцевой стенке, отверстия 9, образованные в дополнительном электроде 5, и входное эмиссионное отверстие анодной камеры 4, образованное в ее торцевой стенке. На выходном эмиссионном отверстии анодной камеры 4 установлена электростатическая система извлечения ионов. Эмиссионный электрод 11 непосредственно расположен в выходном отверстии анодной камеры 4. За эмиссионным электродом 11 последовательно установлены ускоряющий электрод 12 и выходной замедляющий электрод 13, который заземлен. Все электроды электростатической системы изолированы друг от друга с помощью изоляторов 14.

Плазменный источник ионов содержит также магнитную систему, обеспечивающую создание в анодной и катодной камерах магнитного поля с преимущественно осевым направлением вектора магнитной индукции. В качестве источника магнитодвижущей силы магнитной системы используется электромагнитная катушка 15 кольцеобразной формы, установленная коаксиально дополнительному электроду 5. С помощью электромагнитной катушки 15 в отверстиях 9 дополнительного электрода 5 создается магнитное поле с величиной индукции поля В=8 мТл.

Электромагнитная катушка 15 выполнена таким образом, чтобы величина индукции магнитного поля В уменьшалась в осевом направлении от дополнительного электрода 5 к эмиссионному электроду 11 и от дополнительного электрода 5 к торцевой стенке катодной камеры 1, противоположной по отношению к выходному отверстию камеры. Величина индукции магнитного поля уменьшается в указанных направлениях от значения B_max=В=8 мТл до 0,4 В=3,2 мТл. В других вариантах реализации изобретения в качестве источника магнитодвижущей силы может применяться сборка постоянных магнитов, которые обеспечивают создание магнитного поля в полостях катодной и анодной камер с указанными выше параметрами. В различных вариантах реализации изобретения величина индукции магнитного поля в области отверстий дополнительного электрода может варьироваться в диапазоне от 2 до 15 мТл.

Элементы конструкции плазменного источника ионов крепятся на технологическом установочном фланце 16. Корпус катодной камеры 1 электроизолирован от установочного фланца 16 с помощью четырех стержневых изоляторов 17, расположенных по периметру фланца 16 (см. фиг.1 и 2). Патрубок 2 ввода газа, выполняющий функцию электрода инициации разряда, электроизолирован от катодной камеры 1 и от установочного фланца 16 с помощью изоляторов 18 и 19 соответственно.

Установочный фланец 16 предназначен для крепления плазменного источника ионов в вакуумной камере и обеспечивает герметичность разъема между камерой и источником ионов. Во фланце 16 выполнены герметичные электроизолированные разъемы 20 электрических вводов 21 системы электропитания источника ионов и герметичные электроизолированные разъемы 22 трубок 10, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Система электропитания плазменного источника ионов состоит из источника разрядного напряжения (ИРН) 23, источника ускоряющего напряжения (ИУН) 24 электростатической системы извлечения ионов и источника постоянного тока (ИПТ) 25, питающего электромагнитную катушку 15. Схема подключения системы электропитания к элементам конструкции источника ионов изображена на фиг.3.

Стенки катодной камеры 1 подключены к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения 23, положительный полюс которого соединен с патрубком 2 ввода газа. Катодная 1 и анодная 4 камеры электроизолированы друг от друга с помощью изолятора 6 (см. фиг.1). Полый анод 3 электроизолирован от стенок корпуса анодной камеры с помощью трех изоляторов 8 (см. фиг.2) и подключен к положительному полюсу источника разрядного напряжения 23 и к положительному полюсу источника ускоряющего напряжения 24. Электроизолированный от катодной камеры дополнительный электрод 5 электрически соединен с заземленным корпусом 7 анодной камеры 4. Эмиссионный электрод 11 электростатической системы извлечения ионов электроизолирован с помощью изоляторов 14 от остальных электродов системы и находится под плавающим потенциалом плазмы. Ускоряющий электрод 12 подключен к отрицательному полюсу источника ускоряющего напряжения 24, положительный полюс которого подключен к полому аноду 3. Замедляющий электрод 13 электростатической системы извлечения ионов заземлен. Выводы электромагнитной катушки 15 подключены к клеммам источника постоянного тока 25.

Работа плазменного источника ионов, конструкция и схема электропитания которого изображены на фиг.1-3, осуществляется следующим образом.

Источник ионов устанавливается на установочном фланце 16 в полости вакуумной камеры. Электропитание электродов и магнитной системы источника ионов осуществляется через электрические вводы 21, установленные в герметичных разъемах 20 установочного фланца 16. Система принудительного охлаждения стенок катодной камеры 1 подсоединяется к трубкам 10, через которые осуществляется циркуляция жидкости. Трубки 10 герметично устанавливаются в установочном фланце 16 с помощью электроизолированных разъемов 22.

Рабочий плазмообразующий газ, в качестве которого используется аргон, подается в катодную камеру 1 через патрубок 2 ввода газа. При включении источника постоянного тока 25 через электромагнитную катушку начинает протекать электрический ток, создавая в полостях катодной и анодной камер 1 и 4 магнитное поле заданной конфигурации с преимущественно осевым направлением вектора магнитной индукции. Согласно графику изменения величины индукции магнитного поля в относительных единицах B_z/B_max вдоль продольной оси симметрии Z катодной и анодной камер (см. фиг.4) величина осевой составляющей индукции магнитного поля B_z плавно увеличивается от значения 0,4 B_max=3,2 мТл, у торцевой станки катодной камеры 1 (Z=2 см), до максимального значения B_max=8 мТл, в области расположения отверстий 9 в дополнительном электроде 5 (Z=7 см), а затем также плавно снижается до значения 0,4 B_max=3,2 мТл, у выходного эмиссионного отверстия анодной камеры 4 (Z=12 см). На представленном графике зависимости B_z/B_max(Z) величина осевого расстояния Z отсчитывается от поверхности установочного фланца 16 со стороны вакуумной камеры в направлении к эмиссионному электроду 11 электростатической системы извлечения ионов.

Инициация электрического разряда осуществляется путем подачи напряжения от источника разрядного напряжения 23 на стенки катодной камеры 1 и патрубок 2 ввода газа, изолированный от катодной камеры 1. К патрубку 2 прикладывается напряжение положительной полярности, а к стенкам катодной камеры 1 - напряжение отрицательной полярности от соответствующих полюсов источника разрядного напряжения 23. Одновременно между стенками катодной камеры 1 и полым анодом 3 прикладывается разрядное напряжение за счет подключения полого анода 3 к положительному полюсу источника разрядного напряжения 23.

Прикладываемое к патрубку 2 напряжение инициации разряда может регулироваться до установления значения, при котором происходит электрический пробой разрядного промежутка и зажигание разряда в катодной камере 1. Зажигание основного разряда между катодной и анодной камерами осуществляется под действием приложенной разности потенциалов, величина которой составляет 350 В, за счет извлечения электронов из катодной камеры 1 в анодную камеру 4 через отверстия 9 дополнительного электрода 5.

Зажигание основного разряда между катодной и анодной камерами сопровождается протеканием разрядного тока в электрической цепи и последующим снижением разрядного напряжения до 300 В. Прикладываемое разрядное напряжение может регулироваться с помощью управляемого резистора, включенного в электрическую цепь питания (на фиг.3 не показан). После зажигания основного разряда дополнительный электрод 9, который электроизолирован от стенок катодной камеры 1 и подключен к заземленному корпусу 7 анодной камеры, находится под плавающим потенциалом плазмы, заполняющей полость анодной камеры 4.

За счет создания магнитного поля заданной конфигурации согласно зависимости B_z/B_max(Z), изображенной на фиг.4, с величиной индукции магнитного поля B_max=8 мТл в полости катодной камеры 1 осуществляется осцилляция электронов, сопровождающаяся эффективной ионизацией рабочего газа. Электроны, находящиеся в катодной камере, направляются в анодную камеру 4 через отверстия 9 дополнительного электрода 5 под действием приложенной между катодной и анодной камерами разности потенциалов с минимальными потерями на стенках камер. Сформированное в анодной камере 4 магнитное поле заданной конфигурации обеспечивает условия для равномерного распределения концентрации заряженных частиц у выходного эмиссионного отверстия. Вследствие этого извлекаемый ионный пучок обладает высокой однородностью плотности ионного тока по сечению пучка.

Извлечение ионов из анодной камеры 4 осуществляется при подаче напряжения на ускоряющий электрод 12 электростатической системы извлечения ионов от источника ускоряющего напряжения 24. Извлечение и формирование пучка ионов в рассматриваемом примере реализации изобретения осуществляется с помощью трехэлектродной электростатической системы извлечения ионов, реализующей принцип «ускорение-замедление». Между генерируемой в анодной камере 4 газоразрядной плазмой, потенциал которой задается потенциалом полого анода 3, эмиссионным электродом 11, находящимся под плавающим потенциалом плазмы, ускоряющим электродом 12, на который подается напряжение отрицательной полярности от источника ускоряющего напряжения 24, и заземленным замедляющим электродом 13 создается заданное пространственное распределение электростатического потенциала. Под действием электростатического поля происходит извлечение ионов из анодной камеры 4 и формирование ионного пучка с требуемой плотностью ионного тока и заданным поперечным сечением.

Температурный режим катодной камеры 1, которая является наиболее термонапряженным элементом конструкции источника ионов, поддерживается с помощью системы принудительного охлаждения. Охлаждение стенок катодной камеры 1 производится за счет принудительной циркуляции охлаждающей жидкости по трубкам 10, охватывающим корпус камеры (см. фиг.1).

Ток извлекаемого ионного пучка стабилизируется по величине в течение 5 минут. При изменении разрядного напряжения в диапазоне от 300 до 600 В разрядный ток между камерами соответственно изменяется в диапазоне от 100 до 1500 мА. Величина извлекаемого ионного тока при этом достигает 150 мА.

Важным условием для обеспечения требуемой однородности плотности тока по сечению широкоапертурного ионного пучка, наряду с определенными параметрами магнитного поля, является выбор диаметра d отверстий 9 в дополнительном электроде 5 согласно условию 0,1 мм<d<1 мм. Данное условие характеризует, с одной стороны, возможность свободного извлечения электронов из катодной камеры 1 в анодную камеру 4 через отверстия 9 при d>0,1 мм. Выбор размера отверстий 9 более радиуса Дебая, который для рассматриваемого типа устройств составляет не более 0,1 мм, характеризует условие, при котором рабочее вещество в канале отверстия находится в плазменном состоянии. В этом случае при прохождении потока электроном через отверстия 9 исключается возможность возникновения пространственного заряда электронов, который может повлиять на распределение потенциала в анодной камере 4.

С дугой стороны, при ограничении максимальной величины размера отверстий 9 в соответствии с условием d<1 мм исключается влияние катодного потенциала на пространственный потенциал в анодной камере 4 и, следовательно, на распределение концентрации заряженных частиц в полости анодной камеры 4.

В случае выполнения нескольких отверстий в дополнительном электроде суммарная площадь S_Σ поперечных сечений отверстий 9 в дополнительном электроде 5 выбирается из условия 0,03 мм²<S_Σ<3 мм². При выполнении данного условия повышается однородность плотности извлекаемого ионного тока по сечению пучка, а также исключается влияние разрядного напряжения на энергию ионов, извлекаемых из анодной камеры.

В рассматриваемом примере осуществления изобретения диаметр каждого из пяти отверстий 9 в дополнительном электроде 5 равен 0,5 мм (S_Σ=2,4 мм²) при расстоянии между близлежащими отверстиями l=5 мм (l>2d).

При изменении разрядного напряжения в диапазоне от 300 до 600 В плотность ионного тока, генерируемого плазменным источником ионов, соответственно изменялась в диапазоне значений от 0,2 до 6 мА/см². Неоднородность плотности ионного тока по сечению пучка диаметром 50 мм не превышала 5%. Измерение проводилось на мишени, расположенной на расстоянии 200 мм от замедляющего электрода 13 электростатической системы извлечения ионов.

Максимальная величина извлекаемого ионного тока составила 150 мА при требуемой однородности плотности ионного тока по сечению пучка. Измеренное значение ионного тока соответствует диаметру выходного эмиссионного отверстия анодной камеры D_Э=50 мм.

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что при отклонении магнитного поля в катодной и анодной камерах от заданной конфигурации и значений индукции магнитного поля в отверстиях дополнительного электрода от заданного диапазона значений происходит существенное снижение однородности плотности извлекаемого ионного тока по сечению пучка. Аналогичный эффект наблюдается при увеличении или уменьшении диаметра d отверстий 9, выполненных в дополнительном электроде 5, по отношению к установленному диапазону значений d: 0,1 мм<d<1 мм. Данные эффекты проявляются при значениях извлекаемого ионного тока более 100 мА.

В описанном выше предпочтительном примере выполнения изобретения в качестве источника магнитодвижущей силы используется кольцеобразная электромагнитная катушка, однако данный вариант выполнения изобретения не ограничивает применение других типов источников магнитодвижущей силы. Так, например, магнитная система вместо электромагнитной катушки может содержать сборку постоянных магнитов, обеспечивающих создание заданного распределения магнитного поля в анодной и катодной камерах с требуемой величиной индукции поля в отверстиях дополнительного электрода.

Кроме того, изобретение может быть осуществлено при использовании одного осевого отверстия, выполненного в дополнительном электроде. Вместе с тем дополнительный электрод может быть выполнен без выступов, обращенных в сторону полости катодной камеры. Возможны варианты выполнения конструкции источника ионов, в которых дополнительный электрод электроизолируется не только от катодной камеры, но и от корпуса анодной камеры. В качестве рабочего газа, наряду с инертными газами, могут использоваться и химически активные газы, например кислород.

Как показали проведенные экспериментальные исследования, при использовании перечисленных выше вариантов реализации изобретения также обеспечивается достижение технического результата, связанного с увеличением тока широкоапертурного ионного пучка свыше 100 мА при требуемой однородности плотности тока по сечению извлекаемого пучка.

Возможность достижения нового технического результата позволяет применять плазменный источник ионов в составе ионно-лучевых технологических установок с интенсивными широкоапертурными ионными пучками. Генерируемые с помощью плазменного источника ионов однородные ионные пучки большого диаметра могут применяться в различных технологических процессах, в том числе для обработки полупроводниковых материалов.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. Плазменный источник ионов содержит катодную камеру (1), снабженную патрубком (2) ввода газа. На внешней стенке катодной камеры (1) установлены трубки (10) принудительной системы охлаждения. Полый анод (3) образует анодную камеру (4) источника ионов. В выходном отверстии анодной камеры (4) размещен эмиссионный электрод (11) системы извлечения ионов. Между катодной и анодной камерами установлен дополнительный электрод (5), в котором выполнены отверстия (9). Диаметр d отверстий (9) выбран из условия 0,1 мм<d<1 мм. На поверхности дополнительного электрода (5) выполнены выступы в форме усеченного конуса, в которых образованы отверстия (9). Выступы направлены в сторону катодной камеры (1). Анодная камера (4) снабжена заземленным корпусом (7), с которым электрически соединен дополнительный электрод (5). Магнитная система снабжена источником магнитодвижущей силы, который выполнен в виде электромагнитной катушки (15), установленной коаксиально дополнительному электроду (5). Вектор индукции создаваемого магнитного поля имеет преимущественно осевое направление в катодной и анодной камерах. Величина индукции В магнитного поля в осевом направлении вблизи отверстий (9) выбрана в диапазоне от 2 до 15 мТл. Индукция магнитного поля уменьшается в осевом направлении от дополнительного электрода (5) к эмиссионному электроду (11) и от дополнительного электрода (9) к торцевой стенке катодной камеры (1) до значения не более 0,6 В. Конфигурация магнитного поля, создаваемого в катодной и анодной камерах, выбор величины индукции магнитного поля в отверстиях (9), а также выбор диаметра отверстий (9) в соответствии с указанными условиями позволяют создавать с помощью плазменного источника ионов интенсивные ионные пучки большого диаметра, обладающие высокой однородностью плотности ионного тока по сечению извлекаемого пучка. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Плазменный источник ионов, содержащий катодную камеру, снабженную патрубком ввода газа и электродом инициации разряда, полый анод, образующий анодную камеру, систему извлечения ионов с эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры, магнитную систему, обеспечивающую создание магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления в катодной и анодной камерах, и дополнительный электрод, электроизолированный от катодной камеры и установленный между катодной и анодной камерами, при этом в дополнительном электроде выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, катодная и анодная камеры сообщены между собой через выходное отверстие катодной камеры, выполненное в торцевой стенке катодной камеры, отверстие, выполненное в дополнительном электроде, и входное отверстие анодной камеры, выполненное в торцевой стенке анодной камеры, отличающийся тем, что диаметр d отверстия в дополнительном электроде выбран из условия: 0,1<d<1 мм, магнитная система содержит, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, установленный коаксиально дополнительному электроду и создающий в отверстии дополнительного электрода магнитное поле в осевом направлении с величиной индукции от 2 до 15 мТл, при этом магнитная система выполнена таким образом, чтобы величина индукции магнитного поля В уменьшалась в осевом направлении от дополнительного электрода к эмиссионному электроду и от дополнительного электрода к торцевой стенке катодной камеры, противоположной по отношению к выходному отверстию, до значения не более 0,6 В.

2. Плазменный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что в дополнительном электроде выполнено, по меньшей мере, два отверстия с диаметром d, при этом отверстия расположены на расстоянии не менее 2d между центрами близлежащих отверстий, при этом суммарная площадь S_Σ поперечных сечений отверстий в дополнительном электроде выбрана из условия: 0,03<S_Σ<3 мм².

3. Плазменный источник ионов по п.2, отличающийся тем, что в дополнительном электроде выполнено пять отверстий, одно из которых расположено соосно оси симметрии анодной и катодной камер, а четыре других отверстия равномерно распределены по окружности вокруг первого отверстия.

4. Плазменный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что катодная камера снабжена системой принудительного охлаждения.

5. Плазменный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что источник магнитодвижущей силы выполнен в виде сборки постоянных магнитов.

6. Плазменный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что источник магнитодвижущей силы выполнен в виде электромагнитной катушки кольцеобразной формы.

7. Плазменный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электрод выполнен, по меньшей мере, с одним выступом, направленным в сторону полости катодной камеры, при этом отверстие образовано в выступе дополнительного электрода.

8. Плазменный источник ионов по п.7, отличающийся тем, что выступ дополнительного электрода выполнен в форме усеченного конуса.

9. Плазменный источник ионов по п.1, отличающийся тем, что анодная камера снабжена заземленным корпусом, электрически соединенным с дополнительным электродом.