RU1766201C

RU1766201C - Ion source

Info

Publication number: RU1766201C
Authority: RU
Inventors: Б.И. Журавлев; В.В. Прилепский; В.А. Никитинский; В.С. Горлатов
Original assignee: Журавлев Борис Иванович
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: gas-discharge devices. SUBSTANCE: ion source has hollow anode and cathode with coaxial slit-shaped apertures in end walls facing each other. Magnetic system built up of four pole shoes ensures opposing magnetic fields across ends of contracting cathode slit which are perpendicular to longitudinal axis of symmetry of slit so arranged that they form right-hand screw set of vectors together with direction from cathode to anode. Ion-optic system is formed by hollow cathode wall opposite to contracting slit and by extracting electrode, both provided with coaxial holes uniformly arranged over rectangle whose long axis of symmetry is parallel to contracting slit. EFFECT: improved uniformity of ion current distribution in shaping ribbon beam; enlarged service period. 2 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядным устройствам для получения интенсивных пучков ионов различных газов, включая активные, и может быть использовано для технологических операций на базе ионно-лучевой обработки материалов в вакууме. The invention relates to gas-discharge devices for producing intense ion beams of various gases, including active ones, and can be used for technological operations based on ion-beam processing of materials in vacuum.

Целью изобретения является повышение равномерности распределения плотности ионного тока при формировании ленточного пучка и увеличение ресурса работы. The aim of the invention is to increase the uniformity of the distribution of ion current density during the formation of the ribbon beam and increase the service life.

Указанная цель достигается тем, что источник ионов, содержащий соосно расположенные анод с отверстием для подачи рабочего газа, полый катод и ионно-оптическую систему, при этом в торцевой стенке катода, обращенной к аноду, выполнено контрагирующее отверстие, а в противоположной торцевой стенке, обращенной к извлекающему электроду ионно-оптической системы, выполнено по крайней мере одно эмиссионное отверстие, дополнительно содержит магнитную систему с двумя парами полюсных наконечников, симметрично расположенных в полости катода на противоположных краях контрагирующего отверстия, выполненного в форме прямоугольной щели, причем векторы индукции магнитных полей, возбуждаемых с помощью каждой пары полюсных наконечников, перпендикулярны продольной оси симметрии щели, и образуют с нормалью к плоскости щели, направленной к аноду, правовинтовую систему векторов. This goal is achieved by the fact that the ion source contains a coaxially located anode with a hole for supplying the working gas, a hollow cathode and an ion-optical system, while in the end wall of the cathode facing the anode, a counter-hole is made, and in the opposite end wall facing at least one emission hole is made to the extracting electrode of the ion-optical system, further comprises a magnetic system with two pairs of pole pieces symmetrically located in the cathode cavity at opposite the edges of the counter-hole, made in the form of a rectangular slit, and the induction vectors of the magnetic fields excited by each pair of pole tips are perpendicular to the longitudinal axis of symmetry of the gap, and form a right-handed vector system with a normal to the plane of the gap directed to the anode.

Применение пучка ионов, имеющего в сечении прямоугольную форму, с высокой равномерностью распределения плотности тока ионов вдоль большей оси симметрии сечения позволяет упростить некоторые технологические режимы и применяемое оборудование. Например, для установок карусельного типа, в которых изделия, непрерывно и последовательно перемещаясь, подвергаются ионной обработке, применение такого пучка позволяет обеспечивать равномерную обработку изделий с большими линейными размерами при направлении движения изделия перпендикулярно большей оси симметрии сечения пучка. Получить такой пучок можно, используя ионно-оптическую систему прямоугольной формы, если на границе токоотбора (у эмиссионного электрода) вдоль большей оси симметрии ионно-оптической системы обеспечивается равномерная концентрация ионов, что достигается применением щелевой контрагирующей апертуры, параллельной указанной оси, и равномерным распределением разряда по всей длине щели с помощью магнитной системы. The use of an ion beam having a rectangular shape in the cross section with a high uniformity of the distribution of the ion current density along the greater axis of symmetry of the cross section makes it possible to simplify some technological modes and equipment used. For example, for installations of a carousel type, in which products, continuously and sequentially moving, are subjected to ion processing, the use of such a beam allows for uniform processing of products with large linear dimensions in the direction of movement of the product perpendicular to the greater axis of symmetry of the beam section. Such a beam can be obtained using a rectangular-shaped ion-optical system if a uniform ion concentration is ensured at the current-sampling boundary (near the emission electrode) along the greater axis of symmetry of the ion-optic system, which is achieved by using a slotted counter-aperture parallel to the specified axis and a uniform discharge distribution along the entire length of the gap using a magnetic system.

Без магнитной системы разряд при низких давлениях сосредоточивается у края щели, что не обеспечивает равномерный поток ионов к границе токоотбора. Создание магнитного поля, которое распределяет при низких давлениях разряд от краев щели к центру, обеспечивает указанную равномерность. Without a magnetic system, the discharge at low pressures is concentrated at the edge of the gap, which does not provide a uniform ion flow to the boundary of the current collector. The creation of a magnetic field, which distributes at low pressures the discharge from the edges of the slit to the center, provides the specified uniformity.

Кроме того, применение контрагирующей щели с равномерным распределением тока разряда по ней увеличивает ресурс и надежность работы устройства по сравнению с устройствами, имеющими контрагирующие отверстия с диаметрами порядка ширины щели, за счет увеличения общей площади сечения контрагирующей апертуры и следовательно, уменьшения тока ионов, попадающих на единицу площади стенки контрагирующей апертуры. In addition, the use of a counter slit with a uniform distribution of the discharge current over it increases the life and reliability of the device compared to devices having counter holes with diameters of the order of the width of the slit, due to an increase in the total cross-sectional area of the counter aperture and, consequently, a decrease in the ion current incident on unit of wall area of the counter aperture.

На фиг.1 показан источник ионов, общий вид; на фиг.2 - магнитная система. Figure 1 shows the ion source, a General view; figure 2 - magnetic system.

Источник ионов содержит анод 1, полый катод 2 с щелевой апертурой 3 в торцевой стенке 4, обращенной к аноду 1, магнитную систему 5, состоящую из постоянных магнитов 6 и полюсных наконечников 7. Ионно-оптическая система образована эмиссионным электродом (торцевой стенкой 8 катода 2, противоположной стенке 4) и извлекающим электродом 9. В стенке 8 и электроде 9 выполнены соосные отверстия, равномерно распределенные по прямоугольнику, большая ось симметрии которого параллельна щели 3. Изоляторы 10 служат для электрической развязки электродов и герметизации источника ионов. The ion source contains an anode 1, a hollow cathode 2 with a slit aperture 3 in the end wall 4 facing the anode 1, a magnetic system 5 consisting of permanent magnets 6 and pole pieces 7. The ion-optical system is formed by an emission electrode (end wall 8 of the cathode 2 opposite the wall 4) and the extracting electrode 9. In the wall 8 and the electrode 9 are made coaxial holes uniformly distributed over a rectangle, the large axis of symmetry of which is parallel to the gap 3. Insulators 10 are used for electrical isolation of the electrodes and seal tion of the ion source.

Напуск газа осуществляется со стороны анода 1, который выполнен в виде полости с щелевой апертурой 11, соосной катодной апертуре 3, для обеспечения равномерного давления газа по всей длине контрагирующей щели 3. Откачка газа осуществляется через отверстия в стенке 8 и электроде 9. Gas is admitted from the side of the anode 1, which is made in the form of a cavity with a slit aperture 11, coaxial with the cathode aperture 3, to ensure uniform gas pressure along the entire length of the contracting slit 3. Gas is evacuated through openings in the wall 8 and electrode 9.

Магнитная система 5 с помощью магнитов 6 и полюсных наконечников 7 создает на краях щели 3 встречные магнитные поля, причем направление векторов магнитной индукции в каждой паре полюсов составляет с направлением от катода к аноду и от периферии щели к ее центру правовинтовую систему векторов. The magnetic system 5 with the help of magnets 6 and pole tips 7 creates counter magnetic fields at the edges of the slit 3, and the direction of the magnetic induction vectors in each pair of poles is in the direction from the cathode to the anode and from the periphery of the slit to its center the right-handed vector system.

Источник работает следующим образом. The source works as follows.

Устанавливается напуск ионообразующего газа через анод 1. Инициируется плазма в полом катоде 2. После подачи напряжения между катодом 2 и анодом 1 зажигается разряд, контрагированный щелью 3 в полом катоде 2. Локализации разряда на краях щели 3, как это имеет место при низких давлениях, препятствует магнитное поле, создаваемое полюсами 7 магнитной системы 5, направленное поперек щели 3 (вдоль малой стороны прямоугольника щели) так, чтобы электроны, ускоренные напряжением двойного слоя, возникающего с катодной стороны контрагирующей щели 3 после зажигания разряда, "закручивались" к центру щели. Поэтому направления векторов индукции магнитных полей, создаваемых на разных краях щели 3, должны быть противоположны. Величины магнитной индукции на краях щели определяются условием, при котором радиус траектории электронов на периферии щели 3, поступающих из полого катода 2 и ускоренных двойным слоем, не превышал бы высоту контрагирующего канала Н
B =

=

где q и m - заряд и масса электрона; v - скорость электронов; U - напряжение на двойном слое. Двойной слой имеет форму полуцилиндра, выступающего от щели в катодную полость. При горении основного разряда генерируется редкая плазма в катодной полости и плотная плазма (по крайней мере, плотность на порядок выше) в контрагирующей щели 3. Плазма щели отделена от катодной плазмы двойным слоем с падением напряжения в нем в несколько потенциалов ионизации атомов газа электронным ударом. В свою очередь, катодная плазма отделена от стенок полости электростатическим слоем. На границу токоотбора (к эмиссионному электроду 8) обеспечивается ускоренный поток ионов на щели 3 и из катодной плазмы. При подаче ускоряющего напряжения между ускоряющим 9 и эмиссионным 8 электродами обеспечивается формирование пучка ионов прямоугольной в сечении формы с равномерным распределением плотности тока ионов по большей оси симметрии сечения.An ion-forming gas inlet through the anode 1 is established. Plasma is initiated in the hollow cathode 2. After a voltage is applied between the cathode 2 and the anode 1, a discharge is ignited, which is contracted by a slot 3 in the hollow cathode 2. Localization of the discharge at the edges of the gap 3, as occurs at low pressures, prevents the magnetic field created by the poles 7 of the magnetic system 5, directed across the gap 3 (along the small side of the rectangle of the gap) so that the electrons accelerated by the voltage of the double layer arising from the cathode side of the counter gap 3 after ignition discharge, "twisted" to the center of the gap. Therefore, the directions of the induction vectors of magnetic fields generated at different edges of the slit 3 should be opposite. The magnitude of the magnetic induction at the edges of the gap is determined by the condition under which the radius of the trajectory of the electrons at the periphery of the gap 3 coming from the hollow cathode 2 and accelerated by the double layer would not exceed the height of the counter channel H
B =

=

where q and m are the charge and mass of the electron; v is the electron velocity; U is the voltage on the double layer. The double layer has the shape of a half cylinder protruding from the gap into the cathode cavity. When the main discharge is burned, a rare plasma is generated in the cathode cavity and a dense plasma (at least an order of magnitude higher density) in the counter slit 3. The gap plasma is separated from the cathode plasma by a double layer with a voltage drop in it of several ionization potentials of gas atoms by electron impact. In turn, the cathode plasma is separated from the cavity walls by an electrostatic layer. An accelerated ion flow to the gap 3 and from the cathode plasma is provided to the boundary of the current collector (to the emission electrode 8). When an accelerating voltage is applied between the accelerating 9 and emission 8 electrodes, the formation of an ion beam of a rectangular shape in the section with uniform distribution of the ion current density along the greater axis of symmetry of the section is ensured.

Механизм образования заряженных частиц в предложенном устройстве следующий. Электроны, выбиваемые со стенок полого катода 2 ионами из плазмы щели и катодной плазмы, ускоряются электростатическим слоем у стенок и, многократно осциллируя в катодной полости, ионизируют газ, т.е. генерируют катодную плазму. Далее электроны катодной плазмы ускоряются двойным слоем в щель 3, где имеют место условия для реализации пучково-плазменных взаимодействий, а также для рассредоточения разряда по всей длине щели. В контрагирующей щели 3 генерируется плотная плазма, из которой электроны преимущественно проходят через щель 11, соосную контрагирующей 3, в анодную полость и тратят оставшуюся после генерации плазмы щели 3 энергию на "нагрев" ионообразующего газа, что позволяет повысить электрическую и газовую экономичности источника ионов по сравнению с плоским анодом. Ионы из плотной плазмы щели 3 ускоряются двойным слоем и в виде расходящегося потока пересекают катодную полость 2 в направлении токоотбора. Эти ионы вместе с ионами катодной плазмы ускоряются электростатическим слоем у стенок полости и через эмиссионные отверстия выходят в ускоряющий промежуток, где формируются в пучок. Частично ионы попадают на стенки полости катода 2 и участвуют в воспроизводстве первичных электронов. The mechanism of formation of charged particles in the proposed device is as follows. Electrons knocked out from the walls of the hollow cathode by 2 ions from the gap plasma and the cathode plasma are accelerated by the electrostatic layer near the walls and, oscillating many times in the cathode cavity, ionize the gas, i.e. generate cathode plasma. Further, the cathode plasma electrons are accelerated by a double layer into the gap 3, where the conditions for the realization of beam-plasma interactions, as well as for the dispersion of the discharge along the entire length of the gap, take place. In the counter-slit 3, a dense plasma is generated, from which the electrons mainly pass through the slit 11, coaxial to the counter-3, into the anode cavity and spend the energy remaining after the plasma of the slit 3 is generated to “heat” the ion-forming gas, which makes it possible to increase the electric and gas efficiency of the ion source by compared to a flat anode. Ions from the dense plasma of the gap 3 are accelerated by a double layer and cross the cathode cavity 2 in the form of a diverging stream in the direction of current collection. These ions, together with the cathode plasma ions, are accelerated by the electrostatic layer near the walls of the cavity and through the emission holes exit into the accelerating gap, where they are formed into a beam. Partially, the ions fall on the walls of the cavity of the cathode 2 and are involved in the reproduction of primary electrons.

Предложенный источник ионов обладает следующими преимуществами. При получении ионных пучков с большими линейными размерами, имеющих в сечении прямоугольную форму, он обеспечивает более высокую равномерность распределения плотности тока ионов вдоль большей оси симметрии пучка за счет "растягивания" области интенсивной ионизации и создания, тем самым, более равномерного потока ионов вдоль указанной оси на границе токоотбора; он обладает более высоким рабочим ресурсом за счет увеличения общей площади сечения контрагирующего канала и, следовательно, уменьшения мощности; выделяемой разрядом на единицу площади канала. The proposed ion source has the following advantages. When producing ion beams with large linear dimensions, having a rectangular cross section, it provides a higher uniformity in the distribution of ion current density along the greater axis of symmetry of the beam by "stretching" the region of intense ionization and thereby creating a more uniform ion flux along the specified axis at the boundary of the current collector; it has a higher working resource due to an increase in the total cross-sectional area of the counter channel and, consequently, a decrease in power; allocated by a discharge per unit area of the channel.

Claims

A SOURCE OF IONS containing a coaxially located anode with a hole for supplying a working gas, a hollow cathode and an ion-optical system, wherein a counter-hole is made in the end wall of the cathode facing the anode, and in the opposite end wall, which is facing the ion-optical extraction electrode of the system, at least one emission hole is made, characterized in that, in order to increase the uniformity of the ion current density distribution during the formation of the ribbon beam and increase the resource, the ion source is additionally contains a magnetic system with two pairs of pole pieces symmetrically located in the cathode cavity at opposite edges of the counter-hole made in the form of a rectangular slit, and the magnetic field induction vectors excited by each pair of pole pieces are perpendicular to the longitudinal axis of symmetry of the gap and form normal to the plane of the slit directed toward the anode, the right-handed system of vectors.