Ионный источник Советский патент 1990 года по МПК H01J3/04 

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных пучт ков ионов металлов, сплавов и других электропроводящих материалов включая тугоплавкие материалы, и может быть использовано для ионной имплантации и для осаждения пленок заданного ма- териалал в вакууме.

Целью изобретения является увеличение предельного тока ионов металло в ионном источнике за счет увеличени процентного содержания ионов металла в общем числе известных ионов.

На чертеже представлена конструк,

ция данного устройства, где катод i, анод 2, постоянньй магнит 3, дополни тельный магнит 4, мишень 5, дополнительный электрод 6, экстрактор 7, ускоряющий злектрод 8.

Катод 1 и анод 2 выполнены из ненемагнитного материала и установлены коаксиально между полюсными наконечниками пострянного магнита 3. Катод и экст рактор 7 представляют собой системы двух коаксиальных колец равного диаметра, установленных таким , образом, что между их торцовыми по- .вер хностями имеется щелевой зазор. Геометрические центры щелевых зазоров катода 1 и экстрактора 7 находятся в полости, проходящей через середину анода 2. По оси напротив щелевых отверстий в катоде 1 и экстракторе 7 установлен дополнительный постоянный магнит 4 - в виде усеченного конуса, полюсами которого являют- ся его торцовые поверхности. На боковой конусной поверхности дополнительного магнита размещена распыляемая мишень 5, выполненная-из материала, ионы которого необходимо ускорять. Конусообразный допЬлнительный магнит 4 намагничен в соответствии с полюсами основного постоянного магнита 3. На экстракторе 7 напротив мишени 5 установлен дополнительный электрод 6, поверхность которого параллельна боковой конусной поверхности дополнительного магнита 4. Между поверхностью дополнительного электрода и ми- ше нью имеется зазор. Соосно с системой расположен цилиндрический уско- . ряющий электрод 8 Кишень 5 и ускоряющий электрод цилиндрическими 8 находятся под отрицательным потенциалом по отношению к экстрактору.

Устройство работает следующим образом. По трубчатому вводу через анод

20

25

5

О

1C

-

2 в откаченную до давления Р « 10 тор разрядную полость, образованную катодом 1, анодом 2 и полюсами постоянного магнита 3, поступает газ. При подаче на анод 2 положительного потенциала между катодом 1 и анодом 2 возникает тлеющий разряд в магнитном поле. Ионы из плазмы разряда под действием отрицательного потенциала экстрактора 7 вытягиваются через щелевое отверстие в катоде 1. Ускоренные до энергии, соответствующей раз.ности потенциалов между катодом 1 и экстрактором 7, ионы, проходя щелевое отверстие в экстракторе 7, попадают на поверхность мишени 5. Проходя зазор между экстрактором 7 и мишенью 5, ионы подвергаются дополнительному ускорению за счет разности потенциат лов мишени 5, и экстрактора 7. Попадая на поверхность мишени 5, ускоренные ионы выбивают вторичные ионы металла к нейтральные атомы вещества. Коэффициент вторичной ионной эмиссии и коэффициент распыления вещества мишени зависит от сорта бомбардирующих поверхность мишени 5 ионов газа, их энергии и может изменяться в широких пределах. Для увеличения коэффи- 30 циента вторичной ионной эмиссии и коэффициента распыления материала целесообразно использовать ионы газа- с .большей массой, таких, например, как азот, аргон, криптон, ксенон и др. 35 Энергия ионов, обеспечивающая максимальную величину вторичной эмиссии ионов и распьшения материала мишечи 5, лежит в приделах от 1 кэВ до 10 кэВ. Угол выхода вторичных ионов металла из мишени существенно зависит от угла падения первичного иона. При косом падении первичных ионов на мишень максимум углового распределения ионов лежит в пределах 60 +

Эта

величина зависит как от соотношения масс падающего и вторичного ионов, так и от зарядности вторичных ионов. Величина угла конуса дополнительного магнита 4, мишени 5, дополнительного электрода 6 в зависимости от величины зазора между мишенью 5 и дополнительным электродом 6 выбирается таким образом, чтобы вторичные ионы, 5 выбитые из мишени, распространялись в направлении дополнительного ускоряющего электрода 8, не попадая на поверхность дополнительного электрода 6.

40

45

вторичных

о

+ 120 относительно угла падения.

0

Таким образом, при попадании на поверхность мишени 5 первичного ионного пучка в зазоре, образованном дополнительным электродом 6 и мишенью 5, появляются как отраженные от мише-5 ни 5 первичные ионы, так и вторичные ионы мишени 5 и электроны, а также большое количество нейтральных атомов материала мишени. Дополнительный магнит 4 в виде усеченного кону- са, полярность полюсов которого совпадает с полярностью полюсов основного магнита, обеспечивает наличие в зазоре между мишенью 5 .и дополнительным электродом 6 магнитное поле, па- паллельное поверхности мишени 5 и дополнительного электрода 6. Эheктpи- ческое поле, перпендикулярное магнитному, обеспечивается разностью потенциалов параллельно расположенных по- верхностей мишени 5 и дополнительного электрода 6. В скрещенных электрическом и магнитном полях при опредеделенных условиях зажигается допол

нительный разряд. Магнитное поле дополнительного магнита А практически не влияет на траекторий движения ионов. С другой стороны оно препятствует быстрому попаданию электронов на дополнительный электрод 6 и тем самым обеспечивает существенное увеличение их времени жизки и соответственно высокую степень ионизации вещества в зазоре..

Для увеличения эффективности иони- зации величина магнитного поля в зазоре, размер зазора и напряженность электрического поля выбираются таким образом, чтобы ларморовский радиус ускоренного в зазоре электрона был значительно меньше расстояния между поверхностью мишени 5 и дополнительного электрода 6. Ионы газа или материалы мишени, образующиеся в зазоре в процессе ионизации, ускоряются элек трическим полем, существующим между мишенью 5 и дополнительным электродом 6, и производят дополнительное распыление материала мишени и увеличивают выход вторичных ионов металла. Таким оразом, допрлнительньй разряд обеспечивает не только повышение степени ионизации распыленного вещества мишени, но и увеличение концентрации плазмы, образованной из материала ве- щества мишени 5 за счет дополнительного распыления.

Из сформированной таким образом плазмы с помощью ускоряющего электро

5

0

5 0 5 0 5

да 8, находящегося под отрицательным по отношению к мишени 5 и дополнительному электроду 6 потенциалом, извлекается и ускоряется ионный пучок. Ускоряющий электрод 8 относительно мишени 5 и.дополнительного электрода 6 расположен на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность промежутка.

Пример конкретного выполнения предлагаемого источника ионов. Катод 1 и анод 2 выполнены из немагнитного материала, например из нержавеющ1 й стали, йостоянный.магнит обеспечивает в анод-катодном зазоре магнитное поле величиной 200-500 Э. На анод подается положительный относительно катода потенциал амплитудой 300-800 В. При напуске газа, например аргона или азота, в системе зажигается разряд с током 100-1.500 мА. На экстрактор 7 и дополнительный электрод 6 подается отрицательный по отношению к катоду потенциал 5 кВ. При этом величина извлекаемого из разряда ионного тока составляет 10-50 мА, Дополнительный магнит в виде усеченного конуса с углом при вершине порядка 60-120 выполнен, например, на основе самарий- кобальтового сплава, создает в зазоре магнитное поле напряженностью 100- 1000 Э. Между мишенью 5, выполненной, например, из вольфрама, и дополнительным, электродом 6 обеспечивается разность потенциалов 40-1000 В при зазоре 4-12 мм. Величина тока допол- нительн.ого разряда в зависимости от величины магнитного и электрического полей, а также величины зазора и материала мишени может изменяться от 20 до 150 мА. При подаче, на ускоряющий электрод отрицательного потенциала величиной 10-70 кВ ток ускоренного ионного пучка составляет 10-60 мА.

Таким образом, в предлагаемом источнике ионов сохраняется возможность ускорения больших по величине ионных токов от нескольких миллиампер до нескольких десятков миллиампер. С другой стороны, по сравнению с прототипом источник обеспечивает условия увеличения тока ионов распыляемой мишени до 90% от общего тока. При этом мишень может быть выполнена из металла или сплава, в том числе и тугоплавкого. Формула изобретения

Ионньи источник, содержащий кольцевые катод и анод, выполненные из

. 51

нe faгнитнoгo материала и коаксиально установленные между полюсными наконечниками постоянного магнита и цилиндрический экстрактор, а также источники напряжения катода и анода, отличающийся тем, что, с целью увеличения предельного тока ионов металла, в катоде и экстракторе выполнены кольцевые щелевые отвер

стия, напротив которых внутри экстрактора установлен соосно дополнительный постоянный магнит в виде усеченного конуса, полюсами которого служат его торцовые поверхности, на боковой поверхности дополнительного

магнит.а размещена раЬпьшяемая мишень, на экстракторе напротив мишени установлен дополнительный электрод, внутренняя поверхность которого параллельна конусной поверхности дополнительного магнита, при этом между мишенью и боковой поверхностью дополнительного электрода имеется эазор, размеры которого определены из условий электрической прочности, дополнительный магнит подключен к источнику напряжения, отрицательного по отношению к экстрактору, а полярность полюсов основного и дополнител1&ног(} магнитов совпадает.

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных пучков ионов-металлов, сплавов и других . электропроводящих материалов, включая тугоплавкие. Цель - увеличение предельного тока ионов металлов. Ионный источник (ИИ) содержи.т катод 1, анод 2, постоянный магнит (М) 3, мишень 5, экстрактор 7, ускоряющий электрод (Э) 8, Введение в ИИ дополнительного М 4 в виде усеченного конуса, полюсами которого являются его торцовые поверхности, и дополнительного Э 6, поверхность которого параллельна боковой конусной поверхности М 4, .а также размещение на боковой поверхности М 4 мишени 5, а напротив нее - Э 5 с зазором, размеры которого определены из условий электрической прочности, позволяет увеличить ток ионов распьшяемой мишени до 90% от общего тока. ИИ может быть использо- ван для- ионной имплантации для осаждения пленок заданного материала в вакууме. 1 ил. с S (Л с ю со 4U г; QD

Редактор Е.Зубиетова

Составитель А.Нестерович

Техред И.Попович; Корректор Г.Решетник

Заказ 992Тираж 400 - Подписное

ВНИИГШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4