ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1996 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных пучков ионов различных газов, включая активные, при высоких газовой и электрической экономичности и может быть использовано для различных технологических операций в вакууме (травление подложек, нанесение пленок, легирование и т.д.), а также для научных экспериментов.

Известен источник ионов по авт.св. N 1402185, содержащий эквипотенциальный полый катод с центральным входным отверстием и перфорированной противоположной стенкой, которая с ускоряющим электродом образует многоапертурную систему извлечения, кольцевой анод, магнитную систему, состоящую из магнитопровода, стенки полого катода с входным отверстием, стержня и катушки электромагнита, создающую радиальное магнитное поле в кольцевой контрагирующей щели, между стенкой полого катода с входным отверстием и анодом, герметизированную полость с кольцевым выходным зазором в сторону оси симметрии, причем напуск рабочего газа осуществляется через эту полость.

Недостатком его является малый срок службы и низкая электрическая экономичность ввиду высокого разрядного напряжения, и, следовательно, высокой скорости распыления электродов, образующих контpагиpующую щель.

Целью изобретения является увеличение срока службы и повышение электрической экономичности.

Указанная цель достигается тем, что в источник ионов, содержащий эквипотенциальный полый катод с входным отверстием со стороны анода и перфорированной стенкой, которая с ускоряющим электродом образует многоапертурную систему извлечения, кольцевой анод, магнитную систему, состоящую из магнитопровода, стенки полого катода с выходным отверстием, стержня и катушки электромагнита, создающую радиальное магнитное поле в кольцевой контрагирующей щели, герметизированную полость с кольцевым выходным зазором в сторону оси симметрии, причем напуск газа осуществляется через эту полость к торцу стержня через тепловой затвор основанием прикреплен конус из материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии, с диаметром основания, равным диаметру стержня, и углом при вершине 90^о.

Диаметр основания конусов равен диаметру штыря для лучшего теплоотвода при работе источника ионов на активных газах.

Увеличение диаметра основания конуса приводит к перекрытию контрагирующей щели и изменению формы двойного электростатического слоя (ДЭС). Угол при вершине 90^о выбран как оптимальный между условиями получения достаточно интенсивной ионной бомбардировки боковой поверхности конуса потоком ионов, прошедших через ДЭС из анодного каскада при минимальных искажениях формы ДЭС.

Источники информации, содержащие сходные признаки, кроме приведенных в данном описании, не выявлены.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже.

Источник ионов содержит эквипотенциальный полый катод 1 с выходным отверстием 2 и перфорированной противоположной стенкой 3, кольцевой анод 4, магнитную систему, состоящую из магнитопровода 5, стержня 6 и катушки электромагнита 7, ускоряющий электрод 8, который с перфорированной стенкой 3 образует систему извлечения, диск 9, изоляторы 10 и 11, дополнительную герметизированную полость 12, образованную диском 9 и стенкой полого катода 1 с торцевым зазором 13, выходящим в сторону оси симметрии, тепловой затвор 14, через который к стержню 6 основанием прикреплен конус 15 из материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Диаметр основания конуса 15 равен диаметру штыря 6, а угол при его вершине составляет 90^о.

Источник ионов работает следующим образом. Через дополнительную полость 12 в источник ионов напускается рабочий газ, который попадает через узкий выходной кольцевой зазор 13 в прианодную область, а из нее через контрагирующую щель 2 в полый катод 1. При введении радиального магнитного поля в контрагирующей щели 2 при подаче напряжения между анодом 4 и катодом 1 зажигается основной разряд между дополнительной полостью 12 и анодом 4. Электроды из дополнительной полости 12 через выходной кольцевой зазор 13 попадают в прианодную область, в которой существует магнитное поле. Эти электроны, двигаясь в скрещенных электрическом и магнитном полях по циклоидальным траекториям, эффективно ионизируют газ в этой области. Часть образовавшихся ионов, пройдя через контрагирующую щель 2 в полый катод 1 и попадая на его стенки, выбивает вторичные электроны, тем самым возбуждая вспомогательный разряд между анодом 4 и полым катодом 1. Сжатый контрагирующей щелью 2 и радиальным магнитным полем, этот разряд является несамостоятельным и при напряжении 200 В существует только вместе с основным разрядом.

В результате в полом катоде 1 образуется плазма, отделенная от стенок катодным падением, а также ДЭС с катодной стороны контрагирующей щели 2 обеспечивает ускорение электронов из полого катода 1 в контрагирующую щель 2. Объемный заряд электронов в щели позволяет скомпенсировать объемный заряд ионного потока и эффективно пропустить все образованные в прианодной области ионы через контрагирующую щель 2. Кроме того, электроны полого катода, проходя через контрагирующую щель 2 к аноду 4, вносят свой вклад в генерацию ионов в контрагирующей щели 2 и прианодной области. ДЭС на выходе из щели расфокусирует ионный поток на большую эмиссионную поверхность. Напряжение на разряде распределено на трех участках: в катодном падении, на ДЭС и в анодной плазме. Напряжение в катодном падении в самостоятельном разряде устанавливается таким, чтобы обеспечить необходимый коэффициент объемного размножения электронов в катодной полости. Применение в полом катоде вещества с большим коэффициентом вторичной эмиссии позволяет снизить падение потенциала в катоде на 20-25 В. Часть ионного потока из ДЭС, попадая на конус 15, изготовленный из материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии, выбивает вторичные электроны, которые осциллируют в полости катода, двигаясь к аноду через контрагирующую щель, генерируют дополнительные ионы. Форма вставки конус, выбрана для того, чтобы своей формой не искажать получаемый ионный поток, формируемый ДЭС. Место расположения конуса в полом катоде такое, что он находится в зоне максимальной удельной плотности ионов и в то же время может интенсивно охлаждаться, что позволяет работать источнику ионов на активных газах.

Для работы источника ионов на инертных газах и дальнейшего снижения разрядного напряжения можно прикрепить конус к торцу стержня через дополнительный тепловой затвор 14. Это позволит разогреть конус до состояния термоэмиссии и позволит снизить разрядное напряжение еще на 15-20 В.

Снижение разрядного напряжения приводит к уменьшению распыления электродов разрядной камеры, это, в свою очередь, увеличивает срок службы и электрическую экономичность источника ионов.

Изобретение относится к устройствам для получения моноэнергетических интенсивных пучков ионов различных газов, в том числе активных, и может быть использовано для различных технологических операций в вакууме (травление подложек, нанесение пленок, легирование и т.д.). Целью изобретения является увеличение срока службы и повышение электрической экономичности источника ионов на основе разряда с холодным катодом, контрагированного в скрещенных электрическом и магнитном полях. Источник ионов содержит эквипотенциальный полый катод, кольцевой анод, магнитную систему, многоапертурную систему извлечения, дополнительную полость и конус. Напуск рабочего газа осуществляется через герметизированную полость 12 с кольцевым выходным зазором в сторону центрального стержня 14 и через контрагирующую щель 2 в полость полого катода 1. При подаче напряжения между анодом 4 и катодом 1 при наличии радиального магнитного поля зажигается основной разряд между полостью 12 и анодом. За счет попадания образовавшихся ионов через контрагирующие щели в полый катод 1 зажигается вспомогательный разряд за счет вторичных электронов со стенок полого катода. С конуса 15, выполненного из материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии, вторичные электроны, двигаясь через щель 2 к аноду, генерируют дополнительные ионы. Форма вставки позволяет не искажать полный поток, формируемый полого катода с конуса 15, выполненного из материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии, вторичные электроны, двигаясь через щель 2 к аноду, генерируют дополнительные ионы. Вставка находится в зоне максимальной удельной плотности ионов и в тоже время может интенсивно охлаждаться при работе на активных газах. При работе на инертных газах за счет использования теплового затвора возможно обеспечение термоэмиссии и дополнительное снижение разрядного напряжения. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ по авт. св. N 1402185, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и электрической экономичности, к торцу стержня прикреплен основанием конус с углом при вершине 90^o из материала с высоким коэффициентом вторичной эмиссии, при этом диаметр основания конуса равен диаметру стержня. 2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что конус прикреплен к торцу стержня через тепловой затвор.