Источник ионов Советский патент 1993 года по МПК H01J37/08 

Изобретение относится к источ°ни- хам ионных пучков типа дуоплазмотрон и может быть использовано как источник частиц при легировании и ионной имплантации полупроводников и других материалов, при получении различных типов пленочных материалов (диэлектрических, полупроводниковых, металлических) .

Целью изобретения является увеличение времени непрерывной работы и повышение надежности.

На чертеже представлен источник ионов.

Источник ионов содержит анод 1, изготовленный из стали СТ-3 в виде цилиндра с проточенной полос,тью 2 дпя водяного охлаждения. В отверстие диаметром 16 мм, выполненное в Центре анода 1, вставлен экспандер 3, выполненный в виде конуса из тантала ТВЧ с углом при вершине 90. Внутри конуса выточена цилиндрическая полость заполнения плазмы (диаметром 10 мм). Диаметр отверстия при вершине конуса 1,5-2 мм. Промежуточный электрод А изготовлен из стали СТ-Э и аканчивается полюсами с каналом по оси разряда (диаметром 14 и длиной 5 мм) . В полости прометкуточного электрода А установлен заключенный в молибденовый корпус 5 узел испарителя, содержащий испаритель 6 с набором тепловых экранов 7, находящихся в контакте между собой и электрически соединяющих промежуточный электрод 4 и анод 1. Узел испарителя также содержит устройство ввода рабочего вещества в виде тигля В с толщиной сте- 40 питания к траверсе 12 и уменьшения нок 5 мм из графита с коническим кор- теплоотвода от катода 9. Вертикаль- пусом и каналом, вьтолненным в его вершине диаметром 3 мм), и плотно

, прилегающего к внутренней поверхносное перемещение траверсы 12 с катодом 9 производится чере.з сильфон 21. Перед запуском источника установка.

ти испарителя 6, внутри тигля 8 раз- 45 которой он работает, откачивается

мещен катод 9, состоящий из цилиндра 10 (диаметром 7 и высотой 20 мм), изготовленного из графита, И диска 11, укрепленного на торце цилиндра

средствами вакуумной откачки до давления 5. 10 мм рт.ст. Между катодом 9 и промежуточным электродом 4 прикладывается напряжение 30 В. 10 и выполненного из тантала (диамет- gQ Промежуточный электрод 4, корпус уз- ром 5 и высотой 2 мм). Диаметр диска ла 5 испарителя, испаритель 6, набор

тепловых экранов и графитный тигель 8 находятся под одинаковыми напряжениями. Напряжение к катоду 9 подводолжен быть меньше, диаметра цилиндра для обеспечения возможности поджига вакуумной дуги между графитовой частью катода и графитовым тиглем. Вы- gg дится через траверсу 12, отделенную сота его должна быть такой, чтобы от корпуса с помощью керамического обеспечивать легкость нагрева до тем- изолятора 20. Посредством сильфона ператур эмиссии электронов и в же- 21 путем вертикального перемещения время достаточную механическую проч- траверсы 12 с катодом 9 меж/ту i-рафи

ность. Кдтод 9 укреплен на траверсе 12, BbinonHetinoi i с возможностью вертикального перемещения траверсы 12, к является также токовводом като- Д§ 9.

Узел испарителя с перечисленными элементами выполнен как единый узел. Промежуточный электрод 4 совместно с узлом испарителя помещают в водоохлаждаемый корпус 13 из стали Х18Н10Т, на который надета катушка 14 соленоида 0-образного магнита. Магнитный поток от 14 замы- кается с помощью внешнего магнитопро- вода 15, изготовленного в виде набора пластинок из железа армко, которые изолированы от анода 1 с помо- щью фторопластовых пластинок (не приведены). Экстрактор 16 изготовлен из меди в виде конусообразного элекQ

трода с углом при вершине 110 и от- верстием диаметром 10 мм,

Экстрактор 16 отделен от анода I вакуумным промежутком 5 мм. В экстракторе 16 со стороны, противоположной аноду I, устанозлен кольцевой термокатод 17, расположенный так, что фокус змиттируемого им электронного луча совпадаем с выходом канала в корпусе тигля 8, обращенным к аноду I. Экстрактор 16 отделен от анода 1 высоковольтным керамическим изолятором 18. На верхнем фланце источника ионов установлена вакуумная камера 19. Молибденовая траверса 12 катода 9 введена в камеру 19 через керамический изолятор 20, необходимый для обеспечения подключения электро-.

питания к траверсе 12 и уменьшения теплоотвода от катода 9. Вертикаль-

ное перемещение траверсы 12 с катодом 9 производится чере.з сильфон 21. Перед запуском источника установка.

10

15

товым цилиндром 10 и тиглем 8 с помощью KopotKoi o (0,5 с) их соприкосновения возбуждается вакуумная ду1 а (20В, 20А).

После возбуждения вакуумной дуги катод отводится от тигля 8 на рас- стояние 2-3 мм. В процессе стационарного вакуумного разряда происходит эррозия графитовой части катода 9, а также нагрев кагода 9 и анода I, в результате чего давление паров углерода в тигле 8 повышается. Вода, циркулирующая в полости 2 анода 1, предотвращает чрезмерный перегрев анода 1. При достижении температурой катода 9 температуры, достаточной .для эмиссии электронов из танталово- го диска II (Т 55 2000 К), происходит дополнительная ионизация пара углеро- 2о да. В результате разогрева катода 9 . область вакуумного разряда распространяется от катодного пятна по всей площади катода 9. При достижении давления паров углерода в графитовом тигле 8. рт.ст. режим работы из вакуумного разряда переводится в дуговой в парах углерода (50 В, 8-9А). Одновременно с этим дуга путем приложения напряжения метод катодом 9 и анодом 1 перебрасьгеается на анод I.

В дальнейшем нагрев тигля 8 и катода 9 производится за счет самой дуги. Включением тока через катушку 14 соленоида производится магнитиое сжатие плазмы разряда в канале.промежуточного электрода А. Для достижения необходимой величины магнитного поля

1 fi. Источник ионов, находящийся в процессе работы под высоким нлпрчжг- нием, отделен от остальной части установки керамическим изолятором 13. По мере работы источника канал промежуточного электрода 4 может зарлс- тать рабочим веществом вследствие ко1щенсации паров углерода. Для прожигания до требуемого диаметра используется кольцевой термокатод 17, пучок электронов с которого фокусируется на выходе промежуточного электрода. По мере необходимости включа ется ток накала термокатода I7 и эмиттируемые им электроны под действием высокого (20-25 кВ) напряжения прожигают канал промежуточного электрода 4.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повьгагение надежности и увеличение длительности непрерывной работы источника ионов за счет механической прочности и жесткости конструкции ка тода, а также снижает количество потребляемой электроэнергии за счет уменьшения на 30% потребляемой мощности во время запуска источника и

30 обеспечивает большую концентрацию плазмы в канале промежуточного электрода , так как плазменный столб располагается вдоль цилиндрической оси электродов.

25

35

Формула изобретения

Источник ионов, содержащий анод с коническим экспандером, промежуточ- (1000 Э) используется внешний магни- 40 ный электрод с полостью, в которой топровод 15. При работе источника расположено устройство ввода рабоче- температура в камере графитового тиг- го вещества в виде тигля с коничес- ля 8 достигается 3000 С, Поэтому гра- ким корпусом и каналом, выполненным фитовый тигель с испарителем помещаг- в его вершине, катод, расположенный ют в Систему тепловых экранов 7. Теп- 45 полости тигля, и экстрактор с отловые экраны 7 в свою очередь поме- . щают в молибденовый корпус 5, стенки которого плотно прилегают к стенкам водоохлаждаемого корпуса 13. Плазма разряда через канал промежуточного электрода 4 проникает в полость экспандера 3. Извлечение ионного пучка с поверхности плазмы, заполняющей полость экспандера 3, осуществляется

верстием-, э котором со стороны, противоположной аиоду, установлен кольцевой термокатод, расположенный так, что фокус эмиттируемого им электрон- 50 ного луча совпадает с выходом канала в корпусе тигля, обращенным к аноду, а между коническим кораусом тигля и экспандером анода установлена система экранов, находящихся в контакте

с помощью квазипирсовой системы элек-gg между собой, электрически соединяютродов, образуемой тыльной частью щая промежуточный электрод и анод,

анода 1 и экстрактором 16 путем при-отличающийся тем, что,

кладывания высокого (20-25 кВ) напря-с целью увеличения времени непрерывжения между анодом 1 и экстрактором .ной работы и повышения«надежности.

1 fi. Источник ионов, находящийся в процессе работы под высоким нлпрчжг- нием, отделен от остальной части установки керамическим изолятором 13. По мере работы источника канал промежуточного электрода 4 может зарлс- тать рабочим веществом вследствие ко1щенсации паров углерода. Для прожигания до требуемого диаметра используется кольцевой термокатод 17, пучок электронов с которого фокусируется на выходе промежуточного электрода. По мере необходимости включа ется ток накала термокатода I7 и эмиттируемые им электроны под действием высокого (20-25 кВ) напряжения прожигают канал промежуточного электрода 4.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повьгагение надежности и увеличение длительности непрерывной работы источника ионов за счет механической прочности и жесткости конструкции катода, а также снижает количество потребляемой электроэнергии за счет уменьшения на 30% потребляемой мощности во время запуска источника и

обеспечивает большую концентрацию плазмы в канале промежуточного электрода , так как плазменный столб располагается вдоль цилиндрической оси электродов.

35

Формула изобретения

верстием-, э котором со стороны, противоположной аиоду, установлен кольцевой термокатод, расположенный так, что фокус эмиттируемого им электрон- 50 ного луча совпадает с выходом канала в корпусе тигля, обращенным к аноду, а между коническим кораусом тигля и экспандером анода установлена система экранов, находящихся в контакте

1356874в

кятод пыполнрн я виде цилиндра.из ма- ретглен диск из выспкотемперятурного теригша тигля, на торце которого эмиссионного материала.

21

Составитель К.Вершков Редактор Т.Лошкарева Техред М.Ходанич Корректор И.Эрдейи

Заказ 1096 , . ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий I13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д 4/5

в.-..«.i.-.. p..«.. «.«..««-MKMV.K ««..

.e .ee.e .M. .«..««. -.

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

Изобретение относится к физики заряженных частиц и может быть использовано как источник частиц при легировании и ионной имплантации полупроводников и других материалов. Целью изобретения является увеличение времени непрерывной работы и повышение надежности. Источник ионов содержит анод в виде цилиндра с проточенной полостью для водяного охлаждения. В отверстие, расположенное в центре анода 1, вставлен экспандер, выполненный в виде конуса с углом при вершине О. Внутри конуса выто-. чена цилиндрическая полость заполнения плазмы. Промежуточный электрод 4 оканчивается полюсами с каналом по оси разряда. В полости промежуточного электрода установлен узел испарителя с«набором тепловых экранов. Узел испарителя содержит рабочее вещество В виде тигля. Внутри тигля 8 размещен катод, состоящий из изготовленного из материала тигля цилиндра и диска, закрепленного на торце цилиндра и выполненного из высокотемпературного эмиссионного материала Катод укреплен на траверсе, выполненной с возможностью вертикального перемещения. Промежуточный электрод совместно с узлом испарителя помещен в водоохлаждаемый корпус, на который надета катушка 0-образного магнита. Магнитный поток от катушки замыкается с .помощью внешнего магнитопровода. В экстракторе со стороны, противопот ложной аноду, установлен кольцевой термокатод 17. Экстрактор отделен от анода высоковольтным изолятором. Траверса катода введена в камеру через изолятор.. Вертикальное перемещение траверсы с катодом производится через сильфои. 1 ил. с (Л со СП о: 00 о: