RU1745080C - Источник ионов паров металлов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для вакуумно-плазменной обработки материалов. Целью изобретения является повышение концентрации ионов металла в рабочем потоке плазмы и увеличение ресурса работы источника. Поставленная цель достигается тем, что стержень с наконечником установлен на расстоянии l = (1 - 3)d, где d - диаметр катодного отверстия. При этом обращенная к катоду поверхность наконечника выполнена в форме части сферы, центр которой расположен на оси катодного отверстия и радиус которой не превышает диаметра d катодного отверстия. Между полым катодом 1 и анодом 3 зажигается разряд. Зажигание разряда сопровождается появлением катодной плазмы в полом катоде, анодной плазмы в аноде и сгустком плотной плазмы в контрагирующем отверстии 2. При подаче отрицательного потенциала на стержень 4 ионы анодной плазмы бомбардируют наконечник 6, интенсивно распыляя его металлическую поверхность, обращенную к катоду 1. Из плотной плазмы, генерируемой в контрагирующем отверстии 2, ионы металлов вместе с ионами сопутствующего газа проходят через полый катод и попадают в поле электродов 8, 9, где формируются в поток и ускоряются до требуемых энергий. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам для получения стационарных интенсивных пучков ионов паров различных металлов, включая тугоплавкие, и может быть использовано для технологических операций на базе ионно-лучевой обработки материалов в вакууме (например, легирование инструмента с целью его упрочнения, легирование полупроводников, нанесение покрытий и т.д.

Целью изобретения является повышение концентрации ионов металла в потоке ионов и ресурса источника ионов.

Поставленная цель достигается тем, что стержень с наконечником установлен на расстоянии l = (1-3)d от дна катода, где d - диаметр катодного отверстия, при этом обращенная к катоду поверхность наконечника выполнена в форме части сферы, центр которой расположен на оси катодного отверстия, а ее радиус не превышает диаметра катодного отверстия. С целью расширения выбора рабочих материалов наконечник выполнен из следующего ряда металлов (Ta, Ti, Ni, Fe и др.).

Стержень с наконечником выведен из критичной к геометрическим размерам зоны разряда, поэтому уменьшение размеров наконечника при его распылении для получения ионов паров металла не оказывает влияния на параметры разряда и источника ионов в целом, что позволяет повысить ресурс источника ионов. Увеличение объема материала наконечника позволяет дополнительно повысить ресурс источника ионов. Так как расстояние, на котором наконечник стержня расположен от дна катода, равное (1-3)d, где d - диаметр катодного отверстия, сравнимо с длиной свободного пробега распыленных атомов металла в зоне ионизации при давлениях (10^-3 - 10^-2) Торр, соответствующих оптимальным для разрядов низкого давления, то уменьшается вероятность попадания распыленных атомов металлов на стенки разрядной камеры, что повышает концентрацию ионов металла в разряде и в выходящем из источника потоке ионов. Сферическая форма обращенной к катоду поверхности наконечника фокусирует распыленные атомы металла наконечника в отверстие катода, что также уменьшает вероятность потерь атомов металла и повышает концентрацию ионов металла в разряде и в потоке ионов из источника. Нижний предел расстояния от наконечника до дна катода, равный d, ограничен перекрытием катодных падений (ионных оболочек) наконечника и катода, что приводит к прекращению тока электронов на анод и обрыву разряда. Верхний предел этого расстояния, равный 3d, ограничен длиной свободного пробега распыленных атомов металла наконечника в зоне ионизации до контрагирующего отверстия катода. Увеличение этого расстояния выше 3d приводит к рассеянию распыленных атомов металла, что повышает потери атомов металла на стенки разрядной камеры и уменьшает концентрацию ионов металла в потоке ионов из источника.

На чертеже показан источник ионов паров металлов.

Полый катод 1 выполнен в виде цилиндрического стакана, в дне которого выполнено осевое контрагирующее катодное отверстие 2. Соосно с катодом герметично установлен анод 3, в ближней к катоду стенке которого выполнено отверстие диаметром, превышающим диаметр катодного отверстия. С анодной стороны разрядной камеры, включающей электроды 1 и 3, герметично установлен стержень 4, электрически изолированный с помощью изолятора 5. На стержне 4 установлен наконечник 6 из ионообразующего металла (например, тантал, титан, никель, железо и др.). Расстояние от дна катода 1 до наконечника 6 составляет (1-3)d, где d - диаметр катодного отверстия 2. Поверхность наконечника 6, обращенная к катоду 1, выполнена в форме части сферы, центр которой расположен на оси катодного отверстия 2, а ее радиус не превышает диаметра катодного отверстия 2. Дно катода 1, стержень 4 выполняются из ферромагнитного материала и вместе с катушкой электромагнита 7 образуют магнитную систему, создающую магнитное поле вдоль оси источника ионов в области отверстия анода 3. Эмиссионный электрод 8, вместе с ускоряющим электродом 9 образует многоапертурную ионно-оптическую систему. Напуск сопутствующего газа, необходимого для горения разряда, осуществляется через торцовую стенку анода 3. Откачка герметизированной разрядной камеры осуществляется через отверстия ионно-оптической системы. С целью увеличения площади токоотбора ионов, а вместе с тем и площади поперечного сечения пучка, возможно увеличение числа отверстий в катоде 1 и аноде 2 и стержней 4 с наконечниками 6, т.е. возможна организация параллельных каналов разряда с одним катодом и одним анодом. Подключение электродов источника ионов к блокам электропитания катод 1 и анод 3 - к блоку питания разряда, анод 3 и стержень 4 - к блоку питания распыляемого наконечника 6 стержня 4 (минус - на стержень 4), электроды 8 и 9 - к высоковольтному блоку питания (плюс - на электрод 8).

Источник ионов работает следующим образом.

Разряд между полым катодом 1 и анодом 3 зажигается после напуска сопутствующего газа (например, аргона) и подачи разрядного напряжения ≈ 600 В. Напряжение горения разряда составляет величину 300 В. Зажигание разряда сопровождается появление катодной плазмы, отделенной от стенок катода 1 электростатическим слоем (катодным падением), и сгустка плотной плазмы в контрагирующем отверстии 2, отделенного ДЭС в форме, близкой к полусфере, от катодной плазмы и электро- статическим слоем от стенок отверстия 2. ДЭС располагается в полом катоде 1 вблизи контрагирующего отверстия 2.

Из контрагирующего отверстия плазма проникает в анод 3, выполненный в форме полого цилиндрического стакана, где образуется плазменная граница, отделенная от обращенной к катоду 1 поверхности наконечника 6, выполненной в форме части сферы, электростатическим слоем. При подаче отрицательного потенциала на стержень 4 ионы с плазменной границы движутся вдоль силовых линий электрического поля электростатического слоя нормально к поверхности наконечника 6, обращенной к катоду 1. Ускоренные ионы бомбардируют поверхность наконечника 6, интенсивно распыляя ее. Распыленные атомы металла наконечника 6, двигаясь нормально от поверхности и наконечника, поступают в направлении оси источника в зону интенсивной ионизации, расположенной в катодном контрагирующем отверстии 2, где и происходит образование ионов металла.

Механизм образования заряженных частиц, обеспечивающих поддержание разряда и поставку ионов в пучок, следующий.

Со стенок полого катода 1 за счет ионно-электронной эмиссии выбиваются первичные электроны. Они ускоряются катодным падением U_k. При пересечении полости они теряют часть энергии на взаимодействия с катодной плазмой и уже не могут вернуться обратно на стенку, покинуть полость катода 1 они могут только через катодное отверстие 2. Из-за большого отношения внутренней поверхности полого катода 1 к площади отверстия 2 первичные электроны многократно осциллируют в полом катоде, растрачивая свою энергию eU_k на генерацию катодной плазмы, при этом обеспечивается коэффициент объемного размножения первичных электронов α₁> 2. Далее первичные электроны вместе с образованными электронами катодной плазмы фокусируются и ускоряются ДЭС до энергии eU_c (U_с - напряжение на ДЭС) в область сжатия разряда контрагирующим отверстием 2, где обеспечивается ионизация распыленных атомов металла наконечника 6 и сопутствующего газа с образованием плотной плазмы. Плотная плазма генерируется за счет пучково-плазменных взаимодействий (ППВ).

Введение аксиального магнитного поля между стержнем 4 и дном катода 1 и подача отрицательного потенциала на стержень 4 препятствуют уходу ионизирующих электронов на ближнюю к катоду 1 стенку анода 3 и обеспечивают увеличение отдачи энергии eU_c электронами, прошедшими ДЭС, на объемную генерацию плотной плазмы в контрагирующем отверстии 2 за счет их осцилляций вдоль силовых линий магнитного поля (вдоль оси - источника) при отражении от наконечника 6. В плотной плазме контрагирующего отверстия 2 обеспечивается размножение электронов, поступивших из катодной полости 1 с энергией eU_c, с коэффициентом α₂ > 2. Ток электронов в разряде замыкается на анод, перемещение которых поперек силовых линий магнитного поля происходит при столкновениях с атомами рабочего вещества и за счет ППВ.

Из плотной плазмы, генерируемой в контрагирующем отверстии 2, ионы паров металла вместе с ионами сопутствующего газа ускоряются ДЭС и в виде расходящегося потока движутся в полом катоде 1 и через отверстия в эмиссионном электроде 8 выходят в ускоряющий промежуток. При подаче от высоковольтного блока питания ускоряющего напряжения между эмиссионным 8 и ускоряющим 9 электродами ионы формируются в пучок и ускоряются до требуемых энергий. Часть ионов из расходящегося потока и катодной плазмы попадают на стенки полого катода 1 и участвуют в воспроизводстве первичных электронов.

Пары металла наконечника 6 образуются за счет катодного распыления наконечника 6 при подаче напряжения на стержень 4 до 1 кВ. При этом сферическая форма обращенной к катоду 1 поверхности наконечника 6 обеспечивает фокусировку распыленного металла в зону интенсивной ионизации (контрагирующеее отверстие 2). С увеличением потенциала наконечника 6 относительно анода 3 увеличивается и ширина электростатического слоя у его поверхности, отделяющего плотную плазму контрагирующего отверстия 2. Этим обусловлено ограничение минимального расстояния l между наконечником 6 и дном полого катода 1 величиной d, так как перекрытие слоев у наконечника 6 и отверстия 2 приводит к прекращению тока на анод, т.е. к обрыву разряда.

Распыленные атомы ионообразующего металла наконечника 6 поступают непосредственно в зону интенсивной ионизации (отверстие 2), при этом максимальное расстояние l = 3d ограничено длиной свободного пробега λ распыленных атомов металла в этой зоне (l = 3d ≈λ). При p ≈ 5 ˙ 10^-3Торр величина λ≈ 10^-2 м, что обеспечивает при d = 4 ˙ 10^-3 мм соотношение l ≈ 2,5d, которое находится в пределах (1-3)d. Очевидно, что уменьшение концентрации ионов металла в разряде и в потоке ионов из источника при l > 3d (l > λ) связано с увеличением рассеяния распыленных атомов металла на атомах сопутствующего газа. При этом уменьшается и коэффициент использования рабочего вещества.

Предложенный источник ионов имеет большой ресурс работы и высокую концентрацию ионов металла в потоке ионов из источника.

Claims (2)

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ ПАРОВ МЕТАЛЛОВ, содержащий холодный полый катод в виде цилиндрического стакана с осевым отверстием в дне, анод, выполненный в форме полого цилиндрического стакана, обращенный своим основанием к днищу катода, в котором выполнено отверстие, соосное с осевым катодным отверстием, и диаметром, большим диаметра катодного отверстия, стержень с наконечником из ионообразующего металла, установленный со стороны анода вдоль оси симметрии источника, электромагнитную катушку и многоапертурную ионно-оптическую систему, отличающийся тем, что, с целью повышения концентрации ионов металла в потоке ионов и ресурса источника ионов, стержень с наконечником установлен на расстоянии l = (1 - 3) d от дна катода, где d - диаметр катодного отверстия, при этом обращенная к катоду поверхность наконечника выполнена в форме части сферы, центр которой расположен на оси катодного отверстия, а ее радиус не превышает диаметр катодного отверстия.

2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения выбора рабочих материалов, наконечник выполнен из следующего ряда металлов: Ta, Ti, Ni, Fe.