ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1995 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных пучков ионов большой площади поперечного сечения произвольной формы с равномерным распределением плотности тока по сечению пучка, которые могут быть использованы для различных технологических операций в высоком вакууме (например, травление, нанесение тонких пленок, легирование), а также в ускорительной технике.

Интенсивные пучки ионов обычно получают при использовании дугового контрагированного разряда. Однако получение ионных пучков большого поперечного диаметра в таких источниках невозможно.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является источник ионов, содержащий термокатод, магнитопровод, подсоединенный к источнику напряжения, анод, расположенный внутри магнитопровода, магнитную катушку.

Для лучшего использования направленного потока ионов, ускоренных в двойном электростатическом слое, возникающем в таких разрядах, отбор ионов в известном источнике ионов производится с катодной стороны разрядной камеры, а для увеличения направленной скорости ионов контрагирование разряда осуществляется в поперечном магнитном поле, создаваемом с помощью цилиндрического стержня, вводимого в отверстие промежуточного электрода. При малых диаметрах стержня источник обеспечивает высокие электрическую и газовую экономичности, благодаря высокой плотности встречных потоков электронов и нейтральных частиц через малую площадь поперечного сечения разряда в области его контрагирования. При этом из щели в вакуум выходит плотный поток ионов в осевом направлении. Трубчатый полый поток ионов по мере его удаления от контрагирующей щели превращается в сплошной, и в некоторой плоскости поперечного сечения будет иметь относительно равномерное распределение плотности ионов на диаметре порядка диаметра контрагирующей щели.

Недостатком этого устройства является невозможность получения равномерного распределения плотности тока ионов по сечению пучка большого диаметра.

Попытки получить большой диаметр пучка с равномерным распределением тока за счет увеличения диаметра контрагирующей щели приводят к существенному уменьшению газовой и электрической экономичности источника вследствие увеличения площади поперечного сечения контрагирующей щели (минимальная ширина ограничивается условиями зажигания и поддержания разряда через узкую щель, а также засорением магнитного зазора ферромагнитными частицами).

Цель изобретения получение интенсивных пучков ионов с большим поперечным сечением и улучшение распределения плотности тока в пучке.

Цель достигается тем, что магнитопровод выполнен в виде набора стержней с полюсными наконечниками конической формы, в плоском полюсе магнитопровода имеются конические отверстия, количество которых равно количеству стержней, причем наконечники расположены соосно отверстиям, образуя конусные зазоры.

Цель достигается за счет изменения направления контрагирования разряда. Если контрагирование разряда осуществлять щелью между конусными поверхностями магнитной системы (промежуточного электрода), то ускорение ионов осуществляется под углом к оси разрядной камеры вдоль образующей конусной поверхности, занимающей среднее положение в контрагирующей щели. Конусный полый поток ионов на некотором расстоянии от контрагирующей щели превращается в сплошной, и относительно равномерное распределение плотности потока ионов обеспечивается на диаметре, намного больше среднего диаметра контрагиpующей щели. Дальнейшее увеличение площади пучка с равномерным распределением плотности потока ионов, а также получение различных конфигураций поперечного сечения пучка возможно за счет увеличения числа конусных щелей при их равномерном расположении.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Разрядная камера источника включает термокатод 1, анод 2 и промежуточный электрод 3 с коническими контрагирующими щелями, соосными с отверстиями в пластине анода. Промежуточный электрод совместно с катушкой 4 образуют магнитную систему с полюсами 5 и 6 в контрагирующих щелях создается магнитное поле, имеющее осевую и радиальную составляющие напряженности. На одном из полюсов закреплены конусные наконечники 7, введенные в конические отверстия пластины второго полюса. Анод закреплен на промежуточном электроде с помощью изоляторов 9. Рабочий газ поступает в герметизированную разрядную камеру с анодной стороны контрагирующей щели. Разрядная камера отделена от высоковакуумного объема многоапертурной системой извлечения, включавшей соосные эмиссионный электрод 9 и ускоряющий электрод 10.

Устройство работает следующим образом.

При включении накала и подаче напряжения между термокатодом и анодом зажигается разряд через контрагирующие щели в промежуточном электроде. Горение разряда одновременно через все конусные щели достигается увеличением напряжения горения до значения, большего напряжения зажигания контрагированного разряда за счет разрядного тока. Требуемый режим устанавливается уменьшением разрядного тока и введением тока катушки. При включении катушки в конусных контрагирующих щелях появляется магнитное поле, поперечное электрическому, что обеспечивает интенсивную генерацию ионов в контрагиpующей щели, их ускорение и формирование полых конусных потоков ионов. На чертеже показаны траектории 11 ионов, ускоренных выпуклым двойным электростатическим слоем 12. Эмиссионный электрод расположен на таком расстоянии от промежуточного электрода, чтобы в плоскости эмиссионного электрода плотность потоков ионов была относительно равномерной. Приближение эмиссионного электрода приводит к появлению минимума в распределении плотности потока против наконечников, а удаление максимума. Дополнительное улучшение равномерности распределения плотности пучка ионов за ускоряющим электродом может быть достигнуто незначительным изменением прозрачности эмиссионного и ускоряющего электродов на различных участках.

Предлагаемое устройство позволяет получать интенсивные пучки ионов большой площади поперечного сечения с равномерностью распределения плотности тока по сечению на порядок выше, чем известные источники ионов на основе контрагированного разряда.

ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий термокатод, магнитопровод, подсоединенный к источнику напряжения, анод, расположенный внутри магнитопровода, магнитную катушку, отличающийся тем, что, с целью получения интенсивных пучков ионов с большим поперечным сечением и улучшения распределения плотности тока в пучке, магнитопровод выполнен в виде набора стержней с полюсными наконечниками конической формы, в плоском полюсе магнитопровода имеются конические отверстия, количество которых равно количеству стержней, причем наконечники расположены соосно отверстиям, образуя конусные зазоры.