Ионная пушка Советский патент 1977 года по МПК H01J3/04 

(54) ИОННАЯ ПУШКА

; , .I . Л , .:

Изобретение относится к электронно-ионной и ускорительной технике и может Hafrти применение для легирования твердых веществ, в частности полупроводниковых материалов, в ускорителях ионов и в других устройствах, где требуется использовать однородные по массам ионные пучки.

Известны ионно-лучевые установки, состоящие из ионных источников, систем ус- корения и фильтрации ионов по массам. Недостатками таких установок являются боль шой вес и габариты, обусловленньге весом и габаритами магвдтного масо-фильтрг а также сложностью ионного источника, liOTOрая является следствием критичности пропускной способности магнитных сепараторов к моноэнергетичности пучка. Известные установки включают низковольтный дуговой ионный источник с испарителем вне раэ-. рядной камеры, секционированную ускорительную трубку с делителем напряжения по секциям и электромагнит-масс-фильтр для выделения нужного массового компонента ионного пучка, потребляк.)щие значительную

моицюсть. и требующие сложных систем питания.

Цель изобретения - уменьщение энерго потребления, веса и габаритов и, упрощение конструкции установки.

Для этого в предлагаемом устройстве источник ионов выполнен в виде разрядной камеры с осцилляцией электронов в магнитном попе, снабженной экстрактором, хоподными катодами и анодом, изготовленным из рабочего вещества, системы фильтрация л он ОБ по массе выполнена в виде динам чесхого квадрупольного масо-фильтра, содержащего цилиндрический, электрически соединенный с экстрактором и охватываю щий разрядную камеру экран с эмиссионным отверстием на выходном торце, и четьф одинаковых стержня, симметрично расположенных относительно оси пушки и размещенных внутри экрана между экстрактором и быходным торцом экрана, а в качестве электродов системы ускорения служат экран

И корпус пушки, ,:..

Применение динамического высокочаототного масс-фильтр.а в сочетании с просты

«йСточВЕком вонов позволило конструктивно объединить 0ТН узлы в единый блок и помео тять в обошй экран. Выходная диафрагме акраяв I образует с ускоряющим электродом, т оедшенвым с корпусом пушки, удалешлыЁ от плазменной границы ускоряющий промежуток, что-способствует повышению электрической 1фОЧ1 ости последнего.

Предлагаемая ионная пушка имеет малые габариты я вес, потребляет сравнительно малую моишость, проста по конструкции и в обслуживании и может работать при вац соких ускоряющих напряжениях без секционирования ускоряющего промежутка. Ахроматичность высокочастотного квадру польного масо-фильтра, т, е, некритичность его характеристик к энергетическому раз бросу вовов в пучке, допускает работу щэедлагаемого устройства без экстрактора, что еще более упрощает конструкшпо и повышает надежность работы пушки, таккак ликвидируется потетщиалькый промежуток вбпяая шшзмы, В ионном источнике ионный пучок фсф1лируется в области катодного па- дения потвааиала. Благодаря Totviy, что высоковольтный квадрупольный масс-фильтр обладает фокусирующим действием для ионо основного массивного компонента и деф1 кусирующим для прочих компонентов, предлагаемое устройство характеризуется большой экономичностью {эабочего вещества и Высокой чистотой ионного пучка нт выходе

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Анод-испаритель .1 -газорозрядной камеры 2 имеет форму полого цилиндра, состои из металла, ьоны которого требуется получить, и помешен в магнитное тюле, создаваемое постоянными ферритовыми магнитами 3, Для получения ионов нескольких металлов анод-испаритель изготовляют в виде соосно ршсположенных кочец из соот ветствуюших металлоВв Катоды 4, одновр& менно являющиеся полюсными наконечниками, закреплены на ыагнитопроводе 5, изготовленном в виде полого цилиндра из магнитомягкого материала. Магнитопровод закреплен на катодном держателе 6, мае- сивном стержне из металла с большой теп лопроводностью, проходящем через проходной изолятор 7. Отвод тепла через катодный держатель обеспечивает стабильную рабочую температуру ферритовых магнитов и наружной поверхности разрядной камеры, К проходному изоляггору крепится внешний цкран 8, в котором закреплен экстрактор & и расположены полеобразующие стержни масо-фильтра 10, Все вводы 11 электропитания проходят внутри экрана к проходному изолятору. Экран является общей источников тнггания разрядов, экстракции и масо-фильтра, кроме того, на него подается ускоряющее напряжение относително корпуса пушки 12, Ускоряющий промежуток 13 образован торцом экрана и диафрагмой корпуса Пушка может работать в без экстрактора.

Чистота фильтраднн ионного пучка завис от числа колебаний, совершаемых ионом во время движения в высокочастотном квадрупольном поле. Таким образом, чистота при заданной энергии ионов повышается с увеличением длины фильтрующего канала, С другой с1-ороны, вследствие расталкивающего действия пространственного заряда пучка и влияния поперечных скоростей ионов токопрохождение для основного масса«« вого компонента уменьшается по мере уве личения длины канала. Следовательно, для предлагаемой пушки существует оптимальгное соотношение между величиной максимальной энергии ионов, поступаюших в фильтрующий канал, и reofvieTpH4ecKHMH coj отношениями между элементами конструкции. При входных условиях, характерных для предлагаемой конструкции, оптималь ным является отношение длины полеобразу1« ющих стержней к радиусу апертуры масофильтра, равное 4О, при равенстве редиу. сов апертуры и радиуса стержней.

Ионная пушка работает следующим образом.

После получения вакуума в объеме nyut киЮ -Ютор между катодами и анодом-испарителем подается постоянное на-пряжение 2-5 кВ, и в камере зажигается высоковольтный разряд, значительная часть энергии (5О%) которого выделяется на аноде, что приводит К; разогреву .последнего до температуры, при которой парциальное давление паров металла составляет 10 тор. Пары металла ионизируются в разряде, и ионы под действием поля экстрактора извлекаются из камеры и поступают в канал масс-фильтра. При отсутст ВИИ экстрактора ионы попадают в фильтрутрщи канал под действие сил электричеокого поля разрядной камеры. При движении в фильтрующем канале пучок ионов подвергается действию квадрупольного высокочастотного поля и разделяется по массам, Ионы определенной массы,, для которых пр данной частоте и амплитуде высокочастот ного поля а канале масо-фильтра существ ют фокусирующие условия, проходят в вь ходкую диафрагму и в ускоряющем проме. жутке приобретают необходимую энергию. Ионы других масс уходят на стержни или на экран, не достигая ускоряющего промв жутка.