PL174437B1

PL174437B1 - Apparatus for securing electrically polarised electrodes

Info

Publication number: PL174437B1
Application number: PL94304519A
Authority: PL
Inventors: Konstanty Marszałek; Dariusz Korzec; Jurgen Engemann; Norbert Sprang
Original assignee: Akad Gorniczo Hutnicza
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1998-07-31
Also published as: PL304519A1

Abstract

1. Urządzenie do zamocowywania elektrod spolaryzowanych elektrycznie, zawierające co najmniej trzy izolatory o przekroju poprzecznym kołowym stanowiące dystansery, które umieszczone są pomiędzy każdą parą elektrod mocowaną, do pierścieni mocujących, znamienne tym, że izolatory (5) usytuowane sąw gniazdach samocentrujących (6) wykonanych w elektrodach(1) i (2), utworzonych przez zagłębienia ocieniające (7), znajdujące się od strony wewnętrznej dystansera (4) oraz przez otwór centrujący (8), znajdujący się od strony zewnętrznej dystansera (4), przy czym średnica zagłębienia ocieniającego (7)jest większa od średnicy otworu centrującego (8), która jest tak dobrana w stosunku do głębokości otworu ocieniającego (7), by izolator (5) nie wystawał ponad powierzchnię przeciwnej strony elektrody (1) lub (2)1. A device for mounting polarized electrodes electrically, containing at least three insulators with circular cross section constituting spacers that are placed between each pair of electrodes attached to the mounting rings, characterized in that the insulators (5) are positioned are in self-centering seats (6) made in electrodes (1) and (2) formed by the recesses shade (7), located on the inside the spacer (4) and through the centering hole (8) located from the outside of the spacer (4), at the diameter of the shadow recess (7) is greater from the diameter of the centering hole (8), which is so selected in relation to the depth of the shade opening (7) so that the insulator (5) does not protrude above the surface opposite side of the electrode (1) or (2)

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zamocowywania elektrod spolaryzowanych elektrycznie, które służą do ekstrakcji lub analizy energii niskoenergetycznej, szerokiej wiązki naładowanych cząstek.The subject of the invention is a device for fixing electrically polarized electrodes, which are used to extract or analyze the energy of low energy, a wide beam of charged particles.

Znane jest z publikacji przedstawionej przez H. R. Kaufmana i R. S. Robinsona w AIAA Journal-1982 Vol. 20, str. 745-760 urządzenie do zamocowywania dwóch elektrod, spolaryzowanych napięciem stałym o wartościach kilku kV. Podobne zamocowanie systemu ekstrakcyjnego trzyelektrodowego przedstawione jest przez H. R. Kaufmana, J. J. Cuomo i J. M. E. Harpera w J. Vac. Sci. Technol, Vol. 21, str. 725-736 (rok wyd. 1982). W obu tych systemach ekstrakcyjnych elektrody posiadają na swych brzegach co najmniej trzy wypusty z otworami, służącymi do przyśrubowania cylindrycznych izolatorów z ceramiki, zaopatrzonych w gwint. Izolatory służące do zamocowania, wszystkich elektrod sąumocowane, również przy pomocy śrubek, na pierścieniu nośnym. Elektrody ekstrakcyjne są tak zorientowane, że wypusty mocujące jednej elektrody pokrywają się z wycięciami na brzegach pozostałych elektrod. Rozwiązanie to umożliwia mocowanie wszystkich elektrod ekstrakcyjnych na jednym i tym samym pierścieniu nośnym. W trakcie działania systemu ekstrakcji jonów, może wystąpić rozpylanie materiału elektrod i jego osadzanie się na powierzchni cylindrycznych izolatorów. Efektu tego unika się poprzez ukształtowanie obszarów osłoniętych od źródeł rozpylanego materiału. Można to zrealizować na przykład przy pomocy pierścieni lub podkładek zacieniających, umieszczonych dookoła izolatorów, albo przy pomocy odpowiednio ukształtowanych zagłębień w izolatorach i w pierścieniu nośnym. Dzięki temu nie dopuszcza się do zwarcia pomiędzy elektrodami ekstrakcyjnymi i pierścieniem nośnym. Jest to równoznaczne z niedopuszczeniem do zwarcia pomiędzy elektrodami poprzez izolatory.A device for fixing two electrodes, polarized with a direct voltage of several kV, is known from the publication presented by H. R. Kaufman and R. S. Robinson in AIAA Journal-1982 Vol. 20, pp. 745-760. A similar attachment of a three-electrode extraction system is shown by H. R. Kaufman, J. J. Cuomo, and J. M. E. Harper in J. Vac. Sci. Technol, Vol. 21, pp. 725-736 (published year 1982). In both of these extraction systems, the electrodes have at their edges at least three projections with holes for screwing cylindrical ceramic insulators provided with threads. The insulators used to hold all the electrodes are attached, also with screws, to the support ring. The extraction electrodes are oriented so that the mounting tabs of one electrode align with the notches on the edges of the other electrodes. This solution allows all extraction electrodes to be mounted on one and the same support ring. During the operation of the ion extraction system, sputtering of the electrode material and its deposition on the surface of cylindrical insulators may occur. This effect is avoided by shaping areas shielded from the sources of the sprayed material. This can be done, for example, by means of shading rings or washers placed around the insulators, or by means of appropriately shaped recesses in the insulators and in the support ring. This prevents a short circuit between the extraction electrodes and the support ring. This is tantamount to preventing a short circuit between the electrodes through insulators.

Wadą opisanych urządzeń do zamocowywania elektrod jest ich skomplikowana konstrukcja oraz możliwość wystąpienia lokalnego wzajemnego przesunięcia elektrod ekstrakcyjnych. Przesunięcie to może być wywołane zarówno mechanicznie jak i termicznie, co prowadzi do deformacji wiązki jonowej i dodatkowego rozpylania materiału elektrod ekstrakcyjnych.The disadvantage of the described electrode fixing devices is their complicated structure and the possibility of local mutual displacement of the extraction electrodes. This shift can be induced both mechanically and thermally, which leads to deformation of the ion beam and additional sputtering of the extraction electrode material.

W patencie europejskim EP 0230 290 opisanajest metoda wytwarzania elektrod ekstrakcyjnych i system ekstrakcyjny złożony z takich elektrod, w którym nie występuje lateralne przesunięcie elektrod. System ten składa się z płytki nośnej z materiału elektrycznie izolującego i z dwóch, naniesionych na obie strony płytki, warstw przewodzących, stanowiących elektrodyEuropean patent EP 0230 290 describes a method for producing extraction electrodes and an extraction system composed of such electrodes in which no lateral shift of the electrodes occurs. This system consists of a support plate made of an electrically insulating material and two conductive layers applied on both sides of the plate, constituting the electrodes.

174 437 ekstrakcyjne. Zarówno warstwy przewodzące jak i płytka izolacyjna posiadają tę samą matrycę otworów ekstrakcyjnych.174 437 extractive. Both the conductive layers and the insulating plate have the same matrix of extraction holes.

Podobny system ekstrakcyjny opisanyjest przez R. Lossy, J. Engemanna i N. Vuala w publikacji IEEE Transactionon Elektron Devices, Vol. 39, str. 444-447 (1992). Również w tym przypadku przewodzące warstwy, naniesione obustronnie na izolującym podłożu spełniają rolę elektrod ekstrakcyjnych.A similar extraction system is described by R. Lossy, J. Engemann and N. Vuala in IEEE Transactionon Elektron Devices, Vol. 39, pp. 444-447 (1992). In this case, too, the conductive layers applied on both sides of the insulating substrate act as extraction electrodes.

Wadą obu opisanych rozwiązań jest możliwość powstania, w trakcie działania systemu ekstrakcyjnego, zwarcia pomiędzy oboma warstwami metalicznymi w wyniku osadzania się materiału przewodzącego we wnętrzu otworów ekstrakcyjnych w izolujących płytkach nośnych. Dodatkową wadą takich systemów jest ich niestabilność wynikająca z elektrostatycznego ładowania się izolujących powierzchni wewnętrznych otworów ekstrakcyjnych.The disadvantage of both described solutions is the possibility of a short circuit between the two metallic layers during the operation of the extraction system as a result of the deposition of the conductive material inside the extraction openings in the insulating support plates. An additional disadvantage of such systems is their instability resulting from electrostatic charging of the insulating surfaces of the internal extraction openings.

Jako alternatywa może służyć urządzenie opisane przez D. Korzec w J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 8, str. 1716-1720 (1990), w którym elektrody ekstrakcyjne występują w postaci chemicznie trawionych płytek krzemowych, naklejonych na pierścień nośny wykonany z ceramiki. Dzięki zastosowaniu odpowiednio ukształtowanego progu osłaniającego w krawędzi pierścienia nośnego, unika się powstawania krótkiego spięcia między elektrodami. Stałe połączenie elektrod i pierścienia nośnego zabezpiecza przed lateralnymi przesunięciami elektrod. Problemem występującym w tego typu systemach ekstrakcyjnych jest termiczna zmiana rozmiarów materiału elektrod i materiału pierścienia nośnego w trakcie działania systemu. Tylko przy zastosowaniu materiałów o bardzo podobnych współczynnikach rozszerzalności termicznej dla elektrod ekstrakcyjnych i pierścienia nośnego (na przykład krzem i azotek glinu) oraz ograniczonej średnicy systemu ekstrakcyjnego, udaje się uniknąć uszkodzenia w czasie zmian jego temperatury pracy. Ograniczenie materiałów możliwych do zastosowania, ograniczą wykorzystanie systemu do procesów reaktywnych chemicznie.An alternative may be the device described by D. Korzec in J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 8, pp. 1716-1720 (1990), in which the extraction electrodes are in the form of chemically etched silicon plates glued to a support ring made of ceramics. Due to the appropriately shaped protective threshold in the edge of the support ring, short circuits between the electrodes are avoided. The permanent connection of the electrodes and the support ring prevents lateral displacement of the electrodes. A problem with this type of extraction system is the thermal sizing of the electrode material and the carrier ring material during operation. Only by using materials with very similar thermal expansion coefficients for the extraction electrodes and the support ring (e.g. silicon and aluminum nitride) and a limited diameter of the extraction system, it is possible to avoid damage when its operating temperature changes. Limiting the materials that can be used will limit the use of the system to chemically reactive processes.

Znane jest z amerykańskiego opisu patentowego nr 3156090 urządzenie zawierające samocentrujący system ekstrakcyjny. Urządzenie to składa się z izolatorów kulistych umieszczonych obustronnie w otworach centrujących pierścieni mocujących elektrod ekstrakcyjnych. Pokrycia powierzchni izolatorów kulistych materiałem przewodzącym unika się w tym przypadku przez odpowiednie ukształtowanie pierścieni mocujących.A device containing a self-centering extraction system is known from the US Patent No. 3,156,090. This device consists of spherical insulators placed on both sides in the centering holes of the extraction electrode mounting rings. Covering the surface of the spherical insulators with conductive material is avoided in this case by appropriately shaping the mounting rings.

Istotą urządzenia do zamocowywania elektrod spolaryzowanych elektrycznie według wynalazku, jest to ,że izolatory o przekroju poprzecznym kołowym, usytuowane sąw gniazdach samocentrujących wykonanych w elektrodach, utworzonych przez zagłębienie ocieniające znajdujące się od strony wewnętrznej dystansera oraz przez otwór centrujący znajdujący się od strony zewnętrznej dystansera. Średnica zagłębienia ocieniającego jest większa od średnicy otworu centrującego, która jest tak dobrana w stosunku do głębokości tego otworu, by izolator nie wystawał ponad powierzchnię przeciwnej strony elektrody. Dla większej niż jedna para elektrod ekstrakcyjnych, umieszczonychjedna nad drugą, elektrody nieskrajne posiadająpodwójną liczbę gniazd samocentrujących, a ich zagłębienia ocieniające są rozmieszczone na zmianę po obu stronach elektrody.The essence of the device for fixing electrically polarized electrodes according to the invention is that insulators with a circular cross-section are situated in self-centering sockets made in the electrodes, formed by the shading recess on the inside of the spacer and by the centering hole on the outside of the spacer. The diameter of the shading recess is greater than that of the centering hole, which is chosen in relation to the depth of the hole so that the insulator does not protrude above the surface of the opposite side of the electrode. For more than one pair of extraction electrodes placed one above the other, the non-extreme electrodes have a double number of self-centering seats, and their shadow depressions are alternately arranged on both sides of the electrode.

Urządzenie według wynalazku, umożliwia realizację optyki ekstrakcyjnej, działającej sprawnie w dowolnym chemicznie aktywnym otoczeniu, samocentrującej i wyróżniającej się prostą konstrukcją.The device according to the invention allows for the implementation of extraction optics, operating efficiently in any chemically active environment, self-centering and distinguished by a simple structure.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w przekroju w płaszczyźnie równoległej do kierunku ekstrakcji wiązki jonowej, fig. 2 - to samo urządzenie w widoku z góry, fig. 3 - dystanser w przekroju wzdłużnym, fig. 4 - fragment dystansera w powiększeniu, a fig. 5 - przykład mocowania więcej niż dwóch różnie spolaryzowanych elektrod.The invention is illustrated by an embodiment in the drawing, in which fig. 1 shows the device in a cross section in a plane parallel to the extraction direction of the ion beam, fig. 2 - the same device in top view, fig. 3 - longitudinal sectional spacer, fig. 4 - a fragment of the spacer in a magnified view, and Fig. 5 - an example of mounting more than two differently polarized electrodes.

Urządzenie składa się z dwóch elektrod ekstrakcyjnych, ekranującej 1 i przyspieszającej 2, zamocowanych od ich strony zewnętrznej do pierścieni nośnych 3 systemu ekstrakcyjnego. Odstęp d pomiędzy elektrodami 1 i 2 utrzymywany jest za pomocą dystansera 4, mającego postać kulistych izolatorów 5, rozmieszczonych równomiernie na obwodzie elektrod w gniazdach 6, utworzonych przez zagłębienie ocieniające 7 i otwór centrujący 8. Elektroda ekranująca 1, sąsia4The device consists of two extraction electrodes, a shielding 1 and an accelerating electrode 2, attached from their outside to the support rings 3 of the extraction system. The distance d between the electrodes 1 and 2 is maintained by a spacer 4 in the form of spherical insulators 5 distributed evenly around the circumference of the electrodes in the seats 6, formed by the shadow cavity 7 and the centering hole 8. Shielding electrode 1, adjacent 4

174 437 dująca z plazmą 9 jest spolaryzowana dodatnio. Elektroda przyspieszająca 2 znajdująca się po stronie systemu próżniowego 10 jest zazwyczaj spolaryzowana lekko ujemnie lub zwarta na masę. Napięcie występujące pomiędzy elektrodami 1 i 2 związane jest z polem elektrycznym 11, służącym do ekstrahowaniajonów 12 z plazmy 9, wytworzonej w komorze plazmowej 13 źródła jonów, przyspieszania ich i formowania w pojedynczą wiązkę jonową 14. Izolatory 5 o kulistym kształcie i promieniu r są używane w celu elektrycznego odseparowania od siebie elektrod ekstrakcyjnych 1 i 2. Typowo daje się osiągnąć napięcie przebicia 2 kV najeden milimetr odstępu d pomiędzy elektrodami. Izolatory 5 wsparte są na krawędziach 15 otworu centrującego 8, co stanowi stabilne umocowanie obu elektrod, niezbędne dla dokładnego prowadzenia pojedynczej wiązki jonowej 14. Jednocześnie promień ty otworu centrującego 8 jest tak dobrany w stosunku do głębokości tego otworu d₂, aby izolator 5 nie wystawał ponad powierzchnię przeciwnej strony elektrody 1 lub 2. W tym celu promień ty musi spełniać następujący warunek:174 437 output with plasma 9 is positively polarized. The acceleration electrode 2 on the side of the vacuum system 10 is usually slightly negatively biased or shorted to ground. The voltage between electrodes 1 and 2 is related to the electric field 11 used to extract 12 ions from the plasma 9 created in the plasma chamber 13 of the ion source, accelerate them and form them into a single ion beam 14. Insulators 5 with a spherical shape and radius r are used to electrically isolate the extraction electrodes 1 and 2. A breakdown voltage of 2 kV can typically be achieved per millimeter of electrode spacing d. The insulators 5 are supported on the edges 15 of the centering hole 8, which is a stable fixation of both electrodes, necessary for the precise guidance of a single ion beam 14. At the same time, the radius t of the centering hole 8 is selected in relation to the depth of this hole d ₂ so that the insulator 5 does not protrude over the opposite surface of electrode 1 or 2. To this end, the radius ty must satisfy the following condition:

r =V^d2 (^2l^^_d2)r = V ^d 2 ( ^2l ^ ^_d 2)

Przy niekorzystnych warunkach pracy systemu ekstrakcyjnego może się zdążyć, że jony 12 ekstrahowane z plazmy 9 uderzając w krawędź otworu ekstrakcyjnego 16 w elektrodzie przyspieszającej 2 spowodują rozpylanie przewodzącego materiału elektrody. Wówczas materiał ten może się osadzać na powierzchni izolatora 5 w postaci warstwy przewodzącej 17. Dzięki utworzeniu zagłębienia ocieniającego 7 w gnieździe 6, na izolatorze kulistym 5 powstaje obszar 18 wolny od elektrycznie przewodzącego nalotu. W ten sposób nie dopuszcza się do wytworzenia na powierzchni izolatora 5 warstwy przewodzącej, powodującej zwarcie elektryczne pomiędzy elektrodami 1i 2 lub dla większej ilości elektrod umocowanych jedna nad drugą, pomiędzy elektrodami 1i 1a, 1a i 1b oraz 1b i 2. Decydujące znaczenie dla napięcia przebicia między krawędzią warstwy przewodzącej 19 i dnem 20 zagłębienia ocieniającego 7 spełnia odległość g dająca się wyrazić za pomocą następującego wzoru:Under unfavorable operating conditions of the extraction system, it may happen that the ions 12 extracted from the plasma 9 hitting the edge of the extraction opening 16 in the accelerating electrode 2 will cause sputtering of the conductive material of the electrode. The material can then be deposited on the surface of the insulator 5 in the form of a conductive layer 17. Due to the shading cavity 7 in the seat 6, an area 18 is formed on the spherical insulator 5 free of electrically conductive coating. This prevents the formation of a conductive layer on the surface of the insulator 5 causing an electrical short circuit between electrodes 1 and 2 or for more than one electrode mounted one above the other, between electrodes 1 and 1a, 1a and 1b and 1b and 2. Decisive for the breakdown voltage between the edge of the conductive layer 19 and the bottom 20 of the shading cavity 7 there is a distance g, which can be expressed by the following formula:

g=d -d₂2 d²(a-r₂)² g = d -d ₂ 2 d ² (ar ₂ ) ²

2(a- r₂ )r₂ - d² -^4r²[d² +(a + r2)² -d²(r2 +a)²]2 (a- r ₂ ) r ₂ - d ² - ^ 4r ² [d ² + (a + r2) ² -d ² (r2 + a) ² ]

W praktycznym wykonaniu urządzenia, stosuje się izolatory kuliste wykonane z ceramiki, a w szczególności z azotku glinu, natomiast elektrody ekstrakcyjne są wytwarzane ze stali nierdzewnej lub molibdenu. Zagłębienia ocieniające wytworzone sąw elektrodach drogąmaskowania i obustronnego trawienia, zaś otwory centrujące metodą obróbki skrawaniem.In the practical implementation of the device, spherical insulators made of ceramics, in particular aluminum nitride, are used, while the extraction electrodes are made of stainless steel or molybdenum. The shadow depressions are made in the electrodes by masking and etching on both sides, and the centering holes are made by machining.

174 437174 437

Fig.4Fig.4

174 437174 437

A \ laA \ la

Fig.5Fig 5

////A^7?ib //// A ^ 7? Ib

174 437174 437

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.Publishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies

Cena 2,00 złPrice PLN 2.00

Claims

Patent claims

1.A device for fixing electrically polarized electrodes, comprising at least three insulators with a circular cross-section as spacers, which are placed between each pair of electrodes attached to the fixing rings, characterized in that the insulators (5) are located in self-centering seats (6) made in the electrodes (1) and (2), formed by the shading recesses (7) on the inside of the spacer (4) and through the centering hole (8) on the outer side of the spacer (4), the diameter of the shading cavity (7) is greater than the diameter of the centering hole (8), which is selected in relation to the depth of the shade hole (7) so that the insulator (5) does not protrude above the surface of the opposite side of the electrode (1) or (2).

2. The device according to claim 1, characterized in that for more than one pair of extraction electrodes (1, 1a, 1b, 2) mounted one above the other, the non-extreme electrodes (1a) and (1b) have double the number of self-centering seats (6), and their shading recesses (7 ) are arranged alternately on both sides of the electrode.

* * *