BG62986B1 - електростатичен йонен източник - Google Patents

Abstract

Йонният източник намира приложение в йонните технологии. С него се получава йонен сноп от положителни йони от всички метали и полупроводници в твърдоагрегатно състояние с достатъчно висока за технологични приложения плътност и големина на йонния ток. Постига се 100% йонизация на работното веществопри минимални енергийни разходи, пълно контролиране разходимостта на йонния сноп и възможност за неговото фокусиране в петно с малък диаметър. Йонният източник има изключително дълъг експлоатационен срок и висока надеждност. Той се състои от йонен емитер с полево изпарение (1), снабден с фокусиращ (3), ускоряващ (5) и забавящ (6) електрод, системаза неутрализация (9) на йонния сноп, източник на подгряващо напрежение (10) за йонния емитер с полево изпарение (1), постояннотоков захранващ източник (8) и постояннотокови източници на фокусиращо (4), ускоряващо (2) и забавящо (7) напрежение.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до електростатичен йонен източник за получаване на положителни йони от електропроводящи материали (метали, полупроводници) в твърдо агрегатно състояние с висока плътност на йонния ток, като всичко това определя приложението на електростатичния йонен източник в йонните технологии.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е електростатичен йонен източник, съдържащ плазмен източник на положителни йони, плазмен електрод, ускоряващ електрод, забавящ електрод, постояннотоков източник на ускоряващо напрежение, постояннотоков източник на забавящо напрежение, източник на разрядно напрежение за плазмения източник на йони и система за неутрализация на йонния сноп. Отрицателният извод на източника на ускоряващо напрежение е свързан към системата за неутрализация на йонния сноп и към забавящия електрод, а положителният му извод - към анода на плазмения източник на йони. Плазменият електрод е разположен на плазмения източник на йони и е електрически свързан с неговия анод, така че те се намират под един и същи електрически потенциал спрямо останалите елементи на устройството. Източникът на разрядно напрежение осигурява необходимата енергия за получаване на йони в плазмения източник чрез електрически разряд. Той е свързан с отрицателния си извод към катода на плазмения източник на йони, а с положителния си извод - към неговия анод. Източникът на забавящо напрежение е свързан с положителния си извод към забавящия електрод и системата за неутрализация на йонния сноп, а с отрицателния си извод - към ускоряващия електрод. Плазменият, ускоряващият и забавящият електрод имат форма на диск с централен отвор, през който преминава йонният сноп. Системата за неутрализация на йонния сноп в общия случай е източник на електрони или електронен прожектор. Йонният и електронният сноп се смесват, за да се неутрализира йонният сноп. Работното вещество на плазмения източник на йони трябва да бъде в газообразно състояние и най-често е някакъв газ или метални пари /1/.

Недостатъкът на този електростатичен йонен източник с плазмен източник на положителни йони е, че трудно се получава йонен сноп с плътност на тока, необходима за високите йонни технологии. Причината е в плазмения източник на йони. Освен това, получаването на положителни йони чрез известните методи, например чрез електрически разряд, е свързано със значителни енергийни разходи. Друг съществен недостатък е, че този електростатичен йонен източник дава възможност за получаване на йонен сноп от малък брой вещества, поради спецификата на плазмения източник на йони, т.е. липсва универсалност по отношение на работното вещество. Непълната йонизация на работното вещество, т.е. наличието на неутрални частици в йонния сноп, е друг недостатък. При по-високи плътности на йонния ток процентното съдържание на неутрални частици значително нараства. Йонният сноп от този електростатичен йонен източник има висока разходимост и трудно се фокусира в петно с малък диаметър. Поради деградацията на плазмения източник на йони и електродите експлоатационният срок трудно надхвърля 5000 h.

Задачата на изобретението е да се създаде електростатичен йонен източник за получаване на положителни йони от електропроводящи материали (метали, полупроводници) в твърдо агрегатно състояние с достатъчно висока за технологични приложения плътност и големина на йонния ток, с който да се постига пълна йонизация на работното вещество при минимални енергийни разходи, да се осигурява възможност за пълно контролиране разходимостта на йонния сноп и за фокусирането му в петно с малък диаметър, при което електростатичният йонен източник да има изключително дълъг експлоатационен срок и висока надеждност.

Техническа същност

Задачата се решава с електростатичен йонен източник, съдържащ ускоряващ и забавящ електрод с формата на диск с централен отвор. Система за неутрализация на йонния сноп е свързана към отрицателния извод на постояннотоков захранващ източник. Положителният извод на този източник е свързан към положителния извод на постояннотоков източник на ускоряващо напрежение, чийто отрицателен извод е свързан към ускоряващия електрод. Към забавящия електрод е свързан с отрицателния си извод постояннотоков източник на забавящо напрежение, чийто положителен извод е свързан към положителния извод на постояннотоковия източник на ускоряващо напрежение. Използва се йонен емитер с полево изпарение, свързан към положителния извод на постояннотоковия източник на ускоряващо напрежение. Използват се още източник на подгряващо напрежение за йонния емитер с полево изпарение, фокусиращ електрод и постояннотоков източник на фокусиращо напрежение. Положителният му извод е свързан към фокусиращия електрод, а отрицателният му извод - към положителния извод на източника на ускоряващо напрежение. Оста на симетрия на йонния емитер с полево изпарение е перпендикулярна на центровете на отворите на фокусиращия, ускоряващия и забавящия електрод.

Йонният емитер с полево изпарение се състои от цилиндрична част, свързана с основа. Цилиндричната част преминава в конична стесняваща се част, чиято малка основа със закръглен ръб и е свързана с единия край на вътрешен кух цилиндър. Другият му край е свързан с основата. Оста на симетрия на вътрешния кух цилиндър съвпада с оста на симетрия на йонния емитер с полево изпарение. По външната повърхност на вътрешния кух цилиндър е нанесено диелектрично термоустойчиво покритие. Върху това покритие е разположен нагревател с два извода, свързани към източника на подгряващо напрежение. Всеки от изводите на нагревателя преминава през един от двата отвора, разположени в основата. Тези отвори са изпълнени с диелектричното термоустойчиво покритие. Във вътрешността на вътрешния кух цилиндър е разположен електропроводящ материал с цилиндрична форма. Заоблената част от електропроводящия материал е с полусферична форма и е издадена над малката основа на коничната стесняваща се част. Между електропроводящия материал и вътрешната повърхност на вътрешния кух цилиндър е създаден добър топлинен и електрически контакт.

Фокусиращият електрод има форма на пръстен. Електродът се състои от цилиндрична част с цилиндричен отвор и конична стесняваща се част с коничен отвор. Цилиндричният отвор преминава в коничен. Двата отвора образуват вътрешния канал, разположен по оста на симетрия на електрода.

Системата за неутрализация на йонния сноп представлява източник на електрони или електронен прожектор. Възможно е системата да представлява един електрод, като при попадане върху него положителните йони захващ ат липсващите им електрони. Освен това, ако йоните имат достатъчно висока енергия при попадане върху този електрод, който може да бъде и мишена, се избиват вторични електрони, които образуват електронен сноп. Електронният сноп се смесва с йонния, за да го неутрализира. За поддържане електронеутралностга на електростатичния йонен източник е необходимо йонният ток да бъде равен на електронния ток на системата за неутрализация на йонния сноп.

Предимствата на описания електростатичен йонен източник са: възможност за получаване на положителни йони от електропроводящи материали (метали, полупроводници) в твърдо агрегатно състояние с достатъчно висока за технологични приложения плътност и големина на йонния ток, постига се пълна йонизация на работното вещество при минимални енергийни разходи; възможност за пълно контролиране разходимостта на йонния сноп и за фокусирането му в петно с малък диаметър, изключително дълъг експлоатационен срок и висока надеждност.

Описание на приложените фигури

Изобретението се пояснява с приложените фигури, от които:

фигура 1 представлява принципната схема на електростатичния йонен източник, представен в надлъжен разрез по оста си на симетрия;

фигура 2 - изглед откъм основата на йонния емитер с полево изпарение;

фигура 3 - йонния емитер с полево изпарение, представен в надлъжен разрез по оста си на симетрия;

фигура 4 - изглед на коничната стесняваща се част на йонния емитер с полево изпарение;

фигура 5 - фокусиращия електрод.

Примери за изпълнение

Електростатичният йонен източник (фиг.1) съдържа съгласно изобретението йонен емитер с полево изпарение 1, свързан към положителния извод на постояннотоков източник на ускоряващо напрежение 2 и описаните по-долу елементи. Фокусиращ електрод 3 е свързан към положителния извод на постояннотоков източник на фокусиращ о напрежение 4. Отрицателният извод на този източник е свързан към положителния извод на постояннотоковия източник на ускоряващо напрежение 2. Използват се ускоряващ електрод 5 и забавящ електрод 6. Ускоряващият електрод 5 е свързан към отрицателния извод на източника на ускоряващо напрежение 2. Забавящият електрод 6 е свързан към отрицателния извод на постояннотоков източник на забавящо напрежение 7. Положителният извод на този източник е свързан с положителния извод на източника на ускоряващо напрежение 2. Използва се постояннотоков захранващ източник 8, чийто отрицателен извод е свързан към система за неутрализация 9 на йонния сноп. Положителният извод на постояннотоковия захранващ източник 8 е свързан към положителния извод на източника на ускоряващо напрежение 2. Използва се и източник на подгряващо напрежение 10 за йонния емитер с полево изпарение 1.

Йонният емитер с полево изпарение 1 е представен по-подробно в увеличен мащаб М 3:1 на фиг. 2, 3 и 4.Той се състои от цилиндрична част 11, свързана с основа 12. Цилиндричната част 11 преминава в конична стесняваща се част 13, чиято малка основа 14 е със закръглен ръб и е свързана с единия край на вътрешния кух цилиндър 15. Другият му край е свързан с основата 12. Към връзките на цилиндричната част lie основата 12 и на вътрешния кух цилиндър 15 с малката основа 14 на коничната стесняваща се част 13 и с основата 12 няма изисквания за висока механична издръжливост. Те са осъществени чрез заварка. Оста на симетрия на вътрешния кух цилиндър 15 съвпада с оста на симетрия на йонния емитер с полево изпарение 1. По външната повърхност на вътрешния кух цилиндър 15 е нанесено диелектрично термоустойчиво покритие 16. Върху това покритие е разположен нагревател 17 с два извода, свързани към източника на подгряващо напрежение 10. Всеки от изводите на нагревателя 17 преминава през един от двата отвора 18, разположени в основата 12. Отворите 18 са изпълнени с диелектричното термоустойчиво покритие 16. Във вътрешността на вътрешния кух цилиндър 15 е разположен електропроводящ материал 19 с цилиндрична форма. Заоблената му част 20 е с полусферична форма с радиус на закръгление, равен на половината от диаметъра на цилиндричната част на електропроводящия материал 19. Заоблената част 20 на електропроводящия материал 19 е издадена над малката основа 14 на коничната стесняваща се част 13. Между електропроводящия материал 19 и вътрешната повърхност на вътрешния кух цилиндър 15 трябва да има добър топлинен и електрически контакт.Материалът, от който се изработват основата 12, цилиндричната част 11, която преминава в конична стесняваща се част 13 с малка основа 14, въртящият кух цилиндър 15 трябва да има висока магнитна проницаемост. Това е необходимо, за да се екранира магнитното поле на нагревателя 17. Коничната стесняваща се част 13 и малката й основа 14 се покриват с тънък слой от електропроводящ материал, който има найвисок праг на интензитета на електростатичното поле, при който настъпва неговото полево изпарение. Това е необходимо, за да се избегне деградирането на йонния емитер 1 под действие на свръхсилното електростатично пале. Електропроводящият материал 19 е метал, метална сплав или полупроводник в твърдо агрегатно състояние.

Фокусиращият електрод (фиг.5) има форма на пръстен.

Електродът се състои от цилиндрична част 21 с цилиндричен отвор 22 и конична стесняваща се част 23 с коничен отвор 24. Цилиндричният отвор 22 преминава в коничен 24. Двата отвора образуват вътрешния канал, разположен по оста на симетрия на електрода. Радиусът на закръглението при прехода на цилиндричната част 21 в конична стесняваща се част 23 и при края на коничната стесняваща се част 23 трябва да бъде такъв, че да не се изпарява материал от електрода под действие на електрическото поле. Целият фокусиращ електрод 3 се покрива с тънък слой от електропроводящ материал, който има найвисок праг на интензитета на електростатичното поле, при който настъпва полевото му изпарение.

Ускоряващият електрод 5 и забавящият електрод 6 (фиг.1) имат форма на диск с централен отвор. Радиусът на закръгление на всички ръбове и издатини при ускоряващия електрод 5, който се намира под висок отрицателен електрически потенциал спрямо останалите елементи на устройството, трябва да бъде такъв, че да не се получи автоелектронна емисия, тъй като това ще доведе до енергийни загуби.

Оста на симетрия на йонния емитер с полево изпарение 1 е перпендикулярна на центровете на отворите на фокусиращия 3, ускоряващия 5 и забавящия 6 електрод. Всички електроди са неподвижно закрепени един спрямо друг и са електрически изолирани помежду си.

Системата за неутрализация 9 на йонния сноп представлява източник на електрони или електронен прожектор. В по-простия случай тази система представлява електрод, като при попадане върху него положителните йони захващат липсващите им електрони. Освен това, ако йоните имат достатъчно висока енергия при попадане върху този електрод, който може да бъде и мишена, се избиват вторични електрони, които образуват електронен сноп. Електронният сноп се смесва с йонния, за да го неутрализира. За поддържане електронеутралността на електростатичния йонен източник е необходимо йонният ток да бъде равен на електронния ток на системата за неутрализация 9 на йонния сноп.

Действието на електростатичния йонен източник, представен на фиг.1, е следното.

Заоблената част 20 на електропроводящия материал 19 служи за източник на йони. На повърхността на заоблената част 20 има свръхсилно електростатично поле с интензитет в границите от 0.15 до 5V/A (волт/ангстрьом). Стойността на интензитета на електростатично поле зависи от това какъв материал ще се изпарява и от неговата температура. Под действие на свръхсилното електростатично поле се осъществява явлението полево изпарение и от повърхността на заоблената част 20 се изпарява материал под формата на положителни йони, най-често двукратно заредени, които образуват йонен сноп. Това става при температура на елекропроводящия материал 19 и заоблената му част 20 много по-ниска от температурата на кипене. Полевото изпарение може да се реализира в много широк температурен интервал. От няколко десетки келвина до температура, малко по-ниска от тази, при която кипи материалът. Електрическият нагревател 17 увеличава температурата на електропроводящия материал 19 и заоблената му част 20 с цел понижаване прага на интензитета на електростатично поле, при което започва полевото изпарение. Свръхсилното електростатично поле се получава поради малкия радиус на закръгление на заоблената част 20, която се намира под висок положителен потенциал спрямо ускоряващия електрод 5. При работата на йонния емитер с полево изпарение 1 е необходимо електропроводящият материал 19 да се придвижва от основата 12 към малката основа 14, тъй като от заоблената част 20 непрекъснато се изпарява материал, а дължината от малката основа 14 до върха на заоблената част 20 трябва да се поддържа постоянна. Йонният сноп, получен от заоблената част 20, се подлага на фокусиращото действие на палето между фокусиращия електрод 3, заоблената част 20 и малката основа 14 на коничната стесняваща се част 13. По този начин се контролира разходимостта на йонния сноп. Полученият йонен сноп се ускорява от електростатичното поле, което е създадено в областта между ускоряващия електрод 5, йонния емитер с полево изпарение 1 и фокусиращия електрод 3. Йонният сноп, преминавайки през областта между ускоряващия електрод 5 и забавящия електрод 6 се забавя до необходимата енергия, която се определя от потенциала на забавящия електрод 6 спрямо ускоряващия електрод 5. От системата за неутрализация 9 на йонния сноп се отделят електрони под формата на електронен сноп, който се смесва с йонния и го неутрализира. Захранващият източник 8 осигурява необходимата енергия за протичане на йонния ток, от положителни йони и тока от електрони. Функцията на останалите източници на напрежение 2, 4, 7 е да създават електрическо поле и от тях почти не се консумира енергия.

Чрез този електростатичен йонен източник (фиг.1) се получава йонен сноп от положителни йони от метали и полупроводници в твърдо агрегатно състояние, като за целта се използва йонен емитер с полево изпарение 1. Високата скорост на полево изпарение от 10⁵ до 10⁸ атомни слоя за секунда от повърхността на заоблената част 20 на електропроводящия материал 19 осигурява получаването на силен йонен ток. Тъй като повърхността на заоблената част 20 е с палусферична форма и електрическото поле над нея има полусферична симетрия, а отделянето на йони при полевото изпарение става само от повърхността на заоблената част 20, то йонният сноп над заоблената част 20 също ще има палусферична симетрия. Всички йони, отделени от повърхността на заоблената част 20, имат такава траектория, все едно, че са излезли от точков източник. Поради това изключително ефективно може да се управлява разходимостта на йонния сноп и да се фокусира в петно с много малък диаметър. Всички тези качества осигуряват получаването на достатъчно висока за технологични приложения плътност и големина на йонния ток. При получаването на положителни йони чрез полево изпарение се влага точно толкова енергия, колкото е необходима за отделянето на йоните от повърхността на материала и за отнасянето им от тази повърхност до безкрайност. Поради това при получаването на положителни йони чрез полево изпарение няма загуба на енергия и получаването на йоните става при възможно найминимални енергийни разходи. При полевото изпарение се постига пълна йонизация на работното вещество, независимо от големината и плътността на йонния ток. Възможността за пълно контролиране разходимостта на йонния сноп предоставя възможност електростатичният йонен източник да се конструира така, че да няма досег между йонния сноп и електродите. По този начин се предотвратява деградиращото действие на йонния сноп върху електродите и се постига изключително дълъг експлоатационен срок.

Електростатичният йонен източник се използва в средата, в която е създаден вакуум от порядъка на IO’⁹ Torr, поради работа с много високо електрическо напрежение и висок интензитет на електростатичното поле.

Claims (3)

1. Електростатичен йонен източник, съдържащ ускоряващ и забавящ електрод с форма на диск с централен отвор, постояннотоков източник на ускоряващо напрежение, постояннотоков източник на забавящо напрежение и система за неутрализация на йонния сноп, характеризиращ се с това, че съдържа източник на подгряващо напрежение (10) за йонен емитер с полево изпарение (1), постояннотоков захранващ източник (8), свързан с отрицателния си извод към системата за неутрализация (9) на йонния сноп, а с положителния си извод е свързан към йонния емитер с полево изпарение (1) и към положителния извод на постояннотоковия източник на ускоряващ о напрежение (2), чийто отрицателен извод е свързан към ускоряващия електрод (5), при което постояннотоковият източник на забавящ о напрежение (7) е свързан с отрицателния си извод към забавящия електрод (6), а с положителния си извод е свързан едновременно към положителния извод на постояннотоковия източник на ускоряващо напрежение (2) и към отрицателния извод на постояннотоков източник на фокусиращо напрежение (4), чийто положителен извод е свързан с фокусиращ електрод (3), при което оста на симетрия на йонния емитер с полево изпарение (1) е перпендикулярна на центровете на отворите на фокусиращия (3), ускоряващия (5) и забавящия (6) електрод.

2. Електростатичен йонен източник съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че йонният емитер с полево изпарение (1) се състои от цилиндрична част (11), свързана с основа (12), като цилиндричната част (11) преминава в конична стесняваща се част (13), чиято малка основа (14) е със закръглен ръб и е свързана с единия край на вътрешен кух цилиндър (15), другият край на който е свързан с основата (12), като оста на симетрия на вътрешния кух цилиндър (15) съвпада с оста на симетрия на йонния емитер с полево изпарение (1) и по външната повърхност на вътрешния кух цилиндър (15) е нанесено диелектрично термсусгойчивопокршие (16), върху което е разположен нагревател (17) с два извода, свързани към източника на подгряващо напрежение (10) и всеки от изводите преминава през един от двата отвора (18), разположени в основата (12), при което отворите (18) са изпълнени с диелектричното термоустойчиво покритие (16) и във вътрешността на вътрешния кух цилиндър (15) е разположен електропроводящ материал (19) с цилиндрична форма, като заоблената му част (20) е с полусферична форма и е издадена над малката основа (14) на коничната стесняваща се част (13) и между електропроводящия материал (19) и вътрешната повърхност на вътрешния кух цилиндър (15) е създаден добър топлинен и електрически контакт.

3. Електростатичен йонен източник съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че фокусиращият електрод (3) има форма на пръстен, като електродът (3) се състои от цилиндрична част (21) с цилиндричен отвор (22) и конична стесняваща се част (23) с коничен отвор (24), като цилиндричният отвор (22) преминава в коничен отвор (24) и двата отвора образуват вътрешен канал, разположен по оста на симетрия на фокусиращия електрод (3).