ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1994 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к газоразрядным источникам ионов в установках для ионной имплантации и легирования, для электромагнитного разделения изотопов и в других технических проложениях.

Известен источник ионов (1), в котором используются небольшие холодные танталовые катоды, рабочие поверхности которых обращены друг к другу. Располагаются катоды в канале разрядной камеры на расстоянии, превышающем длину эмиссионной щели, и соединяются электрически между собой и с отрицательным полюсом источника разрядного напряжения, положительный полюс которого подсоединен к аноду-разрядной камере. Разрядная камера размещается во внешнем однородном магнитном поле таким образом, что ее продольная ось параллельна магнитным силовым линиям. Для зажигания разряда прикладывается высокое разрядное напряжение, при этом разряд проходит стадии от высоковольтного тлеющего до дугового разряда, когда за счет бомбардировки рабочих поверхностей ионами разряда катоды нагреваются до термоэмиссионных температур.

Недостатком такого источника ионов являются слабая управляемость разряда и невысокий срок службы, так как катоды быстро разрушаются вследствие ионного распыления, а существенно увеличить их размеры не представляется возможным.

Известен источник (2), в котором использованы катод прямого накала, выполненный из танталовой проволоки диаметром 4,3 мм, нагреваемый током 400А. Катод расположен у торца разрядной камеры, у другого торца расположен отражатель. Катод подсоединяется к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, разрядная камера-анод подсоединена к положительному полюсу. Разрядная камера расположена во внешнем продольном магнитном поле. Экстракционная щель в разрядной камере служит для формирования ускорения ленточного пучка ионов путем приложения ускоряющего потенциала к электродам ионной оптики. Такой источник достаточно хорошо управляется, но срок его службы невелик, т. к. катод достаточно быстро разрушается ионной бомбардировкой. Этот катод и его форма также не обеспечивают длительного срока службы и газовой экономичности источника ионов.

Целью изобретения является повышение ресурса и газовой экономичности источника ионов.

Для этого катод выполнен в форме осесимметричного тела, характерные размеры которого по меньшей мере в два раза превышают ширину экстракционной щели, причем катод расположен таким образом, что проекция внутренней поверхности экстракционной щели на рабочую поверхность катода по магнитным силовым линиям, совмещена с передней гранью катода, кроме того, катод и электрод-отражатель выполнены из материала с коэффициентом ионного распыления меньшим, чем соответствующий коэффициент для вольфрама.

На чертеже схематично представлен осевой разрез разрядной камеры источника ионов в частном случае работы его в однородном магнитном поле. (В случае неоднородного магнитного поля источник располагается в нем с учетом требований формулы изобретения и работает аналогично рассматриваемому частному случаю).

Показаны следующие элементы ионного источника: 1 - разрядная камера источника ионов, 2 - массивный прямоканальный катод, 3 - отражатель, обычно электрически соединенный с катодом, 4 - передняя крышка разрядной камеры с экстракционной щелью, 5 - трубка для подачи рабочего вещества в разрядную камеру, 6 - столб разряда первичной плазмы, образованной пучком быстрых электронов, ускоренных в поверхности накаленного катода в ленгмюровском слое и коллимированных внешним магнитным полем В, 7 - пучок ионов, выходящих из экстракционной щели. Для работы к источнику подключается электрическое питание а) накал катода, б) разрядное напряжение и в) высокое напряжение для ускорение и формирования пучка ионов, с помощью электродов ионной оптики, подается рабочее вещество и магнитное поле. В качестве материала катода, например, используется карбид циркония (ZrC) у которого коэффициент ионного распыления в 3 раза меньше, чем у вольфрама при распылении ионами аргона с энергией 200 эВ, а признаков химической эрозии при рабочей температуре катода (2000^oC) за несколько десятков часов в средах BF₃, О₂ и N₂ не обнаружено. Отражатель изготавливается из карбида титана (ТiC), у которого коэффициент ионного распыления в 4 раза ниже чем у вольфрама.

Катод эмитирует сплошной широкий пучок электронов, коллимированный силовыми линиями внешнего магнитного поля. Передний край катода установлен так, чтобы электроны "скользили" по внутренней поверхности крышки разрядной камеры, в которой прорезана экстракционная щель, что является надежным заслоном, снижающим выход нейтральных частиц из источника ионов, поскольку длина катода (10 мм) и ширина (6 мм) существенно больше ширины экстракционной щели (2 мм). Кроме того, при работе с BF3 в течение длительного срока не было обнаружено зарастания экстракционной щели, характерного для источников, у которых столб разряда отодвинутых от внутренней поверхности передней крышки разрядной камеры (вследствие самоочищения пучком быстрых электронов).

Установлено, что при использовании ZrC катода с размерами 10x 6 мм³ при подаче 2-3 атм˙см³/мин BF₃, внешнем магнитном поле B = 1 кГс, токе накала 140 А, напряжении на катоде 4,4 В, токе разряда 3 А, напряжении разряда 150 В, ускоряющем ионы напряжении 8 кВ, из экстракционной щели размером 1,8 x 50 мм² выходит пучок ионов с током 62 мА. Источник работает стабильно и в течение многих часов не требует регулировки. Продолжительность работы источника в этом режиме составляет 30 ч. Однако она может быть больше при увеличении размеров катода. Конструкция катода позволяет это выполнить. Низкое ускоряющее ионы напряжение (8 кВ) использовалось при снятии массового и зарядового состояний пучка, поскольку в этих экспериментах и источник ионов и анализатор находились в однородном магнитном поле. При ускоряющем напряжении 20 кВ ток в пучке возрастает до 70 мА.

Таким образом, предложенный источник ионов позволяет увеличить срок службы до 30 ч и выше и экономить рабочее вещество от 7 атм ˙см³/мин, т. е. примерно в 3-4 раза. (56) С. B. Mills, С. F. Barnett. Rev. Scient, Insrtum, 1954, v. 25, р. 1200.

Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М. : Атомиздат, 1972, с. 86-90.

Использование: ионная имплантация, электромагнитное разделение изотопов. Сущность изобретения: катод прямого накала, установленный в газоразрядной камере источника ионов с продольным магнитным полем, выполнен в форме осесимметричной геометрической фигуры. Характерные размеры катода по меньшей мере в два раза превышают ширину эмиссионной щели. Плоскость, в которой расположено отверстие для извлечения ионов со стороны разрядной камеры, пересекает рабочие поверхности катода и электрода-отражателя. Коэффициент ионного распыления материалов, из которых выполнен катод и электрод-отражатель, больше, чем соответствующий коэффициент для вольфрама. 1 ил.

ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий разрядную камеру с отверстием для извлечения ионов в форме щели, катод прямого накала, подключенный к источнику электропитания и электрод-отражатель, расположенные у противоположных торцов разрядной камеры, магнитную систему, систему извлечения ионов, систему подачи рабочего вещества в разрядную камеру и источник разрядного напряжения, положительный полюс которого подключен к разрядной камере, а отрицательный - к катоду и электроду-отражателю, при этом силовые линии магнитного поля внутри разрядной камеры параллельны продольной оси симметрии щели для извлечения ионов и пересекают поверхности катода и электрода-отражателя, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса и газовой экономичности источника ионов, катод прямого накала выполнен в форме осесимметричного тела, характерные размеры которого по меньшей мере в два раза превышают ширину щели для извлечения ионов, причем катод и электрод-отражатель расположены так, что плоскость, в которой расположено эмиссионное отверстие со стороны разрядной камеры, пересекает их рабочие поверхности, и выполнены из материалов с коэффициентом ионного распыления меньшим, чем соответствующий коэффициент для вольфрама.