Источник ионов дуоплазмотронного типа Советский патент 1992 года по МПК H01J27/10 

Предлагаемое устройство относится к плазменным источникам ионов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии получения углеродных и других пленок, легирования полупроводников и других областях материаловедения.

Известен источник ионов углерода, содержащий вольфрамовый катод косвенного накала и анод, помещенные во внешнее магнитное поле, расположенное в разрядной камере.

Вдоль оси разрядной камеры установлена выходная щель прямоугольного сечения. Рабочим веществом являются газы С02, СО. Так как извлечение ионов происходит с границы однородной плазмы перпендикулярно магнитному полю, плотность извлекаемых ионов невысока и для получения приемлемого тока используется щель с большим сечением. Источник позволяет получать ток ионов углерода 10 мА. но характеризуется нужной экономичностью и

большим газовыделением в операционную вакуумную камеру.

Известен более экономичный плазменный источник ионов углерода, который содержит стержневой катод, расположенный параллельно оси разрядной камеры, являющейся анодом, помещенный по внешнее магнитное поле.

Параллельно катоду расположена выходная щель прямоугольного сечения. Газообразным рабочим веществом являются газы СО, СОг. Источник позволяет получать 2-3 мА тока ионов углерода.

Недостатком приведенных устройств является относительно небольшой ток ионов углерода, большое содержание примесей в извлекаемом пучке ионов.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является источник ионов, выполненный по схеме дуоплазмотрона, работающий на твердом веществе - графите.

,Х|

IXJ

N СО

ю

Источник содержит аксиально-симметричные электроды: анод с коническим экспандером (плазменный эмиттер) с отверстием и промежуточный аноде цилиндрической полостью, в которой расположен графитовый тигель в виде цилиндра с коническим основанием и каналом в вершине конуса, термокатод и экстрактор с отверстием. Тигель из рабочего вещества отделен от водоохлаждаемой поверхности промежуточного анода системой теплоизолирующих экранов.

Особенностью источника является то, что дуговой разряд возбуждается непосредственно в тигле в парах углерода без вспо- могательного газа. Преимуществами дуоплазмотрона являются высокая эффективность и плотность ионного тока, чистота ионного пучка углерода и отсутствие газового натекания в рабочую камеру. Источник позволяет получать до 20 мА ионного тока углерода.

Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является невозможность достижения более высоких величин ионного тока, необходимых для упрощения и удешевления процессов нанесения пленок.

Дело в том, что при заданном потенциале экстрактора существует максимальный ток ионного пучка круглого сечения, который можно сформировать аксиально-симметричной системой электродов.

Полный ток ионов l+, который можно извлечь с границы плазменного эмиттера, определяется параметрами плазмы и площадью ее границы S, с которой происходит отбор ионов

1+ 0,4 егнгде е и Те - заряд и температура электронов, п+ - концентрация ионов невозмущенной плазмы вблизи отверстия.

Подставляя в формулу характерные для дуоплазмотрона величины: гц 1014 см 3, Те 105К и площадь плазменного эмиттера известного устройства S 8 , получим, что ионный ток углерода - примерно 20 мА. Однако для формирования цилиндрического пучка аксиально-симметричной системой электродов необходимо также, чтобы выполнялось условие перекрытия какала экстрактора ионным слоем. Оценки с учетом этого требования дают максимальную величину цилиндрического тока ионов углерода при извлекающем потенциале 104 В примерно 50 мА (с учетом массового состава пучка). Таким образом, видно, что известный источник ионов углерода ограничен, как по величине полного тока ионов углерода, так и по величине тока формируемого цилиндрического пучка. Кроме того,

недостатком является то, что цилиндрический1 пучок ионов, сформированный аксиально-симметричной системой, существенно неоднороден в поперечном сечении за счет кулоновского расталкивания ионов и

0 электронной фокусировки на оси пучка, в результате чего распределение плотности тока по сечению имеет вид, близкий к Гаус- совому. Это не позволяет получать пленки с равной толщиной на площади подложки да5 же в пределах сечения ионного пучка без специальных операций с подложкой или пучком.

Целью настоящего изобретения является увеличение извлекаемого ионного тока

0 при заданной степени однородности плотности тока по поперечному сечению ионного пучка за счет увеличения площади плазменного эмиттера с высокой плотностью.

5 Указанная цель достигается тем, что в источнике ионов дуоплазмотронного типа, содержащем соосно и последовательно расположенные полый промежуточный электрод, в полость которого размещен

0 прямоканальный термоэмиссионный катод и испаритель рабочего вещества, анод с отверстием для извлечения ионов в формуле расширяющегося канала, соосно контраги- рующему отверстию промежуточного элект5 рода, извлекающий электрод с соосным отверстием и магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и магнитопро- водом, полюсами которой служат анод и промежуточный электрод, согласно изобре0 тению, соосные отверстия в промежуточном электроде, аноде и извлекающем электроде выполнены прямоугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии, при этом полость промежуточного электро5 да выполнена симметричной относительно плоскости симметрии щелевых отверстий с прямоугольным продольным сечением, причем катод выполнен протяженной вдоль щелевых отверстий формы и расположен в

0 плоскости симметрии отверстий.

Таким образом, предлагаемый источник ионов с щелевидной системой электродов предназначен для генерации ленточного пучка ионов и является по существу щеле5 видным дуоплазмотроном; Это позволяет устранить вышеуказанные недостатки прототипа и улучшить его характеристики.

Так согласно решения, величина полного тока пучка ионов, формируемого в щелевидной системе, пропорциональна длине а

выходной щели, что позволяет значительно увеличить величину ионного тока по сравнению с аксиально-симметричным дуоплаз- мотроном.

Кроме того ленточный пучок вдоль коор- динаты большего размера пучка имеет практически однородную плотность ионного тока, причем, степень однородности тем выше, чем больше отношение длины к ширине пучка. Отсюда следует, что необходи- мую величину максимального тока ионов и однородности ленточного пучка можно задать, выбирая соответствующий размер щели экспандера, в отличие от известных устройств.

Суть предлагаемого решения заключается в следующем. Предложено увеличить величину извлекаемого тока ионов за счет увеличения площади отбора с границы плазмы высокой плотности (n+ 10 см ), которая образуется за счет контрагирова- ния неоднородным магнитным полем. Сделать это путем увеличения диаметра аксиального плазменного эмиттера не удается, так как в аксиальном источнике плазма высокой плотности расположена вдоль оси источника и ее параметры слабо и сложным образом зависят от диаметра экспандера.

Поэтому было предложено использовать плоско-симметричную систему конт- рагирования плазмы для создания щелевого плазменного эмиттера, в котором площадь границы плазмы высокой плотности пропорциональна длине щели I, т.е. при достижении равных параметров плазмы п+ и Те с аксиально-симметричным источником в плоскосимметричном источнике полный ток ионов будет в Е раз больше. Необходимые параметры плазмы были достигнуты путем выполнения катода, тигля, промежуточного анода, канала промежуточного анода, анода, экспандера и экстрактора с прямоугольным сечением и плоскостью симметрии, проходящей через щель экспандера.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Предлагаемый источник ионов содержит анод 1, являющийся магнитным полюсом, изготовленный из мягкого железа в виде цилиндра. В прямоугольный паз в центре анода вставлен экспандер 2, выполненный в виде призмы из тантала с щелью при вершине конуса размером 0,8x40 мм2. Угол конуса полости расширения плазмы 120°. Промежуточный анод 3, являющийся внутренним магнитопроводом, изготовлен из мягкого железа и заканчивается магнитным полем, имеющим прямоугольный паз 25x80 мм. Промежуточный анод 3 и анод 1

имеют проточку 4 для водяного охлаждения. Для создания в зазоре между промежуточным анодом 3 и анодом 1 неоднородного магнитного поля на промежуточный анод 3 надет соленоид 5 с внешним магнитопроводом 6. В полости 7 промежуточного анода 3, имеющей прямоугольное сечение, установлен узел испарителя, содержащий графитовый тигель 8, являющийся источником рабочего пара и имеющий щелевидный канал 9 сечением 3x40 мм , систему экранов 10 из молибдена и тантала, и молибденовый корпус 11.8 полость тигля помещен накаливаемый катод 12,из танталовой проволоки 0,8 мм, который через изоляторы 13 укреплен в корпусе и соединен с токовводом 14. В корпусе 15 расположен фланец 16 для дополнительной откачки источника в процессе работы, что позволяет свести газовыделение в вакуумную систему до минимума.

Рассмотрим работу источника на примере получения ионов углерода из графита.

Нагрев графита до температуры, обеспечивающей давление его пара, необходимое для поджигания и горения дуги (10 - мм рт.ст.) осуществляется внутри испарителя 8 в два этапа: вначале нагрев графита выполняют термоэмиссионным электронным током путем разогрева катода и прикладывания напряжения между катодом 12 и тиглем 8, затем после достижения давления паров углерода до необходимой величины зажигается дуговой разряд и нагрев рабочего вещества осуществляется этим же дуговым разрядом. Одновременно с первым зажигается второй дуговой разряд в промежутке катод 12 - анод 1 и дуоплаз- мотрон выходит на обычный для него режим работы. По сути работы щелевой дуоплаз- мотрон отличается от известных аксиально- симметричных дуоплазмотронов тем, что дуговые разряды имеют не ось симметрии, а плоскость симметрии, что обуславливает существование неоднородных областей плазмы вдоль щели. Остальные параметры плазмы (плотность, температура и др.) соответствуют характерным для дуоплазмотронов.

Так, для генерации пучка ионов углерода с током 150 мА при ускоряющем потенциале на экстракторе 20 кВ были использованы следующие режимы. Ток накала катода 36 А, ток и напряжение промежуточного и анодного дугового разряда 20 А, 100 В и 7 А, 130 В соответственно. Магнитное поле в щели экспандера 600 Э.

Предлагаемый тип источника может работать как на любом газообразном веществе, вводимом в тигель через трубопровод, так и в парах других твердых веществ, которые загружаются в небольшие полости, еделанные в графитовом тигле. Были проведены испытания и при средних режимах работы; получены пучки ионов следующих материалов (ток в мА в скобках): газообразных Ar(140). CH4 (120); металлов: Си (70); NI (50).

В таблице приведены сравнительные характеристики известных и предлагаемого источников ионов, используемых для получения ионов углерода.

Как следует из таблицы, предлагаемый источник ионов по величине извлекаемого ионного тока значительно превышает известные источники ионов углерода (в 10 и более раз). Являясь по существу щелевидным Дуоплазмотроном, обладает высокой экономичностью. Ленточная форма пучка обеспечивает большую его однородность по сравнению с прототипом.

Формула изобретения Источник ионов дуоплазмотронного типа, содержащий соосно и последовательно расположенные полый промежуточный электрод, в полости которого размещены прямоканальный термоэмиссионный катод

и испаритель рабочего вещества, анод с от- верстием для извлечения ионов в форме расширяющегося канала, соосного контр- агирующему отверстию промежуточного

электрода, извлекающий электрод с соос- ным отверстием и магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и магнитопроводом, полюсами которой служат анод и промежуточный электрод, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения величины извлекаемого ионного тока при заданной степени однородности плотности тока по поперечному сечению ионного пучка за счет увеличения площади плазменного эмиттера с высокой плотностью, соосные отверстия в промежуточном электроде, аноде и извлекающем электроде выполнены прямоугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии, при этом полость

промежуточного электрода выполнена симметричной относительно плоскости симметрии щелевых отверстий с прямоугольным продольным сечением, причем катод выполнен протяженной вдоль щелевых отверстий

формы и расположен в плоскости симметрии отверстий.

15

Использование: плазменные источники ионов, например, для ионно-лучевой технологии. Сущность изобретения: отверстия в электродах дуоплазмотронного источника ионов выполнены прямоугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии. Полость промежуточного электрода, в которой размещены испаритель рабочего вещества и протяженный вдоль щелевых отверстий прямоканальный термоэмиссионный катод, симметрична относительно плоскости симметрии щелевых отверстий в электродах ду- оплазмотрона и в извлекающем электроде. Данное выполнение позволяет увеличить извлекаемый ионный ток за счет увеличения площади плазменного эмиттера с высокой плотностью.2 ил.