RU2034356C1

RU2034356C1 - Ion source

Info

Publication number: RU2034356C1
Application number: RU92015855A
Authority: RU
Inventors: Б.Н. Маков
Original assignee: Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1992-12-29
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: electromagnetic isotope separation. SUBSTANCE: ion source is single-potential module that has discharge chamber 1, cover 2, cathode 3 and, in case of use of arc discharge oscillating mode, reflecting electrode 6. Anode 7 only is insulated from discharge voltage by means of two insulators shielded from anode dusting and spaced apart from hot cathode 3. Positive potential of anode raises intensity and density of ion current in accelerated ion beam due to forced inflow of discharge plasma charged particles to extraction slit crosswise of magnetic field lines of force in crossed electric and magnetic fields. Apart from more complete utilization of ions formed in discharge column, working medium is more effectively used in ion source discharge chamber. Zirconium carbide element of cathode 3 soldered to substrate 4 made of high-melting metal provides for twice as low cathode heating power and several times longer service life of ion source at current density in accelerated ion beam higher than 100 mA sq. cm. EFFECT: simplified design and operating reliability. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к источникам ионов, может быть использовано в технологических целях для имплантации ионов, электромагнитного разделения изотопов и в других приложениях. The invention relates to ion sources, can be used for technological purposes for ion implantation, electromagnetic isotope separation, and in other applications.

Известен источник ионов имплантера с прямонакальным вольфрамовым катодом и электродом-отражателем, расположенными у торцов разрядной камеры, работающий в продольном магнитном поле. Катод и электрод-отражатель изолированы от разрядной камеры. Источник работает в двух режимах дугового разряда: а) с осцилляцией электронов и б) в прямом режиме разряда, когда электрод-отражатель соединен электрически с положительным полюсом источника разрядного напряжения [1]
К недостаткам источника ионов относятся: малый срок службы прямонакального проволочного катода и небольшая плотность тока в пучке ускоренных ионов, извлекаемых из ионного источника.A known source of implant ions with a straight-burning tungsten cathode and a reflector electrode located at the ends of the discharge chamber, operating in a longitudinal magnetic field. The cathode and reflector electrode are isolated from the discharge chamber. The source operates in two modes of arc discharge: a) with electron oscillation and b) in the direct discharge mode when the reflector electrode is electrically connected to the positive pole of the discharge voltage source [1]
The disadvantages of the ion source include: the short life of the direct-heated wire cathode and the low current density in the beam of accelerated ions extracted from the ion source.

Ближайшим техническим решением к предложенному является источник ионов, работающий во внешнем магнитном поле, силовые линии которого совпадают с направлением оси его разрядной камеры, содержащей в ее крышке экстракционную щель. Подогревный катод, элемент которого, изготовленный из тугоплавких металлов, нагревается электронной бомбардировкой с нити вспомогательного катода, и электрод-отражатель расположены у открытых противоположных торцевых поверхностей разрядной камеры [2] Источник ионов работает в двух режимах дугового разряда: а) в осциллирующем режиме разряда, когда электрод-отражатель электрически соединен с катодом для отражения первичных электронов, эмиттированных катодом, и подсоединен к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, при этом положительный полюс его подсоединен к разрядной камере; б) в прямом режиме разряда, когда электрод-отражатель подсоединен к положительному полюсу источника разрядного напряжения для сбора первичных электронов, эмиттированных катодом. The closest technical solution to the proposed one is an ion source operating in an external magnetic field, the lines of force of which coincide with the direction of the axis of its discharge chamber, containing an extraction gap in its lid. A heated cathode, an element of which is made of refractory metals, is heated by electron bombardment from the auxiliary cathode filament, and the reflector electrode is located at the open opposite end surfaces of the discharge chamber [2] The ion source operates in two modes of arc discharge: a) in an oscillating discharge mode, when the reflector electrode is electrically connected to the cathode to reflect the primary electrons emitted by the cathode, and connected to the negative pole of the discharge voltage source, when th its positive pole connected to the discharge chamber; b) in the direct discharge mode, when the reflector electrode is connected to the positive pole of the discharge voltage source to collect the primary electrons emitted by the cathode.

Недостатками этого источника являются: отсутствие герметизации разрядной камеры по торцам, снижающее эффективность использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру, и использование тугоплавких металлов (вольфрам, тантал) в качестве материала элемента катода. Характерная для них высокая работа выхода электронов вызывает необходимость в поддержании большой мощности накала катода, а высокие степень эрозии в химически активных средах и коэффициент ионного распыления снижают долговечность катодов. The disadvantages of this source are: the lack of sealing of the discharge chamber at the ends, which reduces the efficiency of using the working substance supplied to the discharge chamber, and the use of refractory metals (tungsten, tantalum) as the material of the cathode element. Their high electron work function makes it necessary to maintain a high cathode glow power, and high erosion in chemically active media and ion sputtering coefficient reduce the cathode life.

Техническим результатом при использовании источника ионов является упрощение конструкции источника ионов, повышение надежности его работы, увеличение интенсивности и плотности ионного тока в пучке ускоренных ионов и срока службы источника ионов, снижение энергозатрат на нагревание катода и увеличение эффективности использования рабочего вещества подаваемого в разрядную камеру источника ионов. The technical result when using an ion source is to simplify the design of the ion source, increase the reliability of its operation, increase the intensity and density of the ion current in the beam of accelerated ions and the life of the ion source, reduce energy consumption for heating the cathode and increase the efficiency of use of the working substance supplied to the discharge chamber of the ion source .

Технический результат достигается тем, что в источнике ионов, содержащем разрядную камеру с щелевым отверстием для экстракции ионов, направление вектора внешней магнитной индукции в полости которой совпадает с продольной осью симметрии камеры, подогревный катод, нагреваемый электронной бомбардировкой с нити вспомогательного катода, и электрод-отражатель, расположенные у противоположных торцевых поверхностей разрядной камеры и подключенные к источнику разрядного напряжения, подогревный катод и разрядная камера подключены к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения, при этом в разрядной камере размещен электроизолированный анод, подключенный к положительному полюсу источника разрядного напряжения, форма анода и место его расположения в разрядной камере выбраны таким образом, чтобы вектор скорости дрейфа плазменных электронов в разрядной камере V_д= [

x

] в скрещенных электрическом и магнитном полях был направлен в сторону щелевого отверстия для экстракции ионов, где

направление вектора электрического поля, создаваемого поверхностью анода, обращенной к оси плазменного столба разряда,

вектор магнитной индукции внешнего поля, кроме того, подогревный катод выполнен в виде элемента, припаянного к подложке из тугоплавкого материала, при этом элемент катода и электрод-отражатель выполнены из материалов, более стойких к ионному распылению, чем вольфрам, а электрод-отражатель электроизолирован от разрядной камеры и подключен к положительному полюсу источника разрядного напряжения.The technical result is achieved by the fact that in the ion source containing a discharge chamber with a slit hole for ion extraction, the direction of the external magnetic induction vector in the cavity of which coincides with the longitudinal axis of symmetry of the chamber, a heated cathode heated by electron bombardment with an auxiliary cathode filament, and a reflector electrode located at opposite end surfaces of the discharge chamber and connected to a discharge voltage source, a heated cathode and a discharge chamber are connected to the negative flax pole of the discharge voltage, while in the discharge chamber arranged electrically insulated anode connected to the positive pole of the discharge voltage, the shape of the anode and place it in the location of the discharge chamber are selected so that the vector plasma drift velocity of electrons in the discharge chamber V _d = [

x

] in crossed electric and magnetic fields was directed towards the slot for the extraction of ions, where

the direction of the electric field vector generated by the surface of the anode facing the axis of the plasma column of the discharge,

the magnetic field vector of the external field, in addition, the heated cathode is made in the form of an element soldered to a substrate of refractory material, while the cathode element and the reflector electrode are made of materials that are more resistant to ion sputtering than tungsten, and the reflector electrode is insulated from discharge chamber and connected to the positive pole of the discharge voltage source.

На фиг. 1 изображен продольный осевой разрез разрядной камеры источника ионов, предназначенного для работы в осциллирующем режиме дугового разряда; на фиг. 2 то же, поперечный разрез по А-А; на фиг. 3 продольный осевой разрез разрядной камеры для использования источников ионов в прямом режиме дугового разряда; на фиг. 4 показана зависимость величины тока в пучке ускоренных ионов источника от индукции внешнего магнитного поля. In FIG. 1 shows a longitudinal axial section of a discharge chamber of an ion source designed to operate in an oscillating mode of an arc discharge; in FIG. 2 the same, cross section along AA; in FIG. 3 is a longitudinal axial section of the discharge chamber for using ion sources in a direct arc discharge mode; in FIG. Figure 4 shows the dependence of the current in the beam of accelerated ion of the source on the induction of an external magnetic field.

Источник ионов (фиг. 1 и 2) содержит полую разрядную камеру 1, крышку 2 с экстракционной щелью, элемент катода 3, припаянного к подложке 4 катода, нить 5 вспомогательного катода, электрод-отражатель 6 под потенциалом разрядной камеры, анод 7, изолятор 8 анода, вывод 9 анода, трубку 10 для подачи рабочего вещества в разрядную камеру, электрод-отражатель 11 (фиг. 3), изолированный от разрядной камеры, изолятор 12 и вывод 13.

направление вектора внешнего магнитного поля, в котором работает источник ионов. Элемент катода 3 изготавливают из карбидов, нитридов и боридов циркония (ZrC, ZrN, ZrB) разной формы: в виде цилиндров, параллелепипедов и т. д. У этих материалов, как было экспериментально установлено, скорость распыления ионами аргона при энергии 200 эВ ниже в 3-4 раза, чем у вольфрама, и они не подвержены химической эрозии при работе в источнике ионов с BF, N₂ и др. Соединение элементов катода 3 с подложками 4 осуществляют в вакууме несколькими способами: а) припаиванием цирконием, ниобием и другими металлами, б) термодиффузионной сваркой при нагревании под давлением, в) осаждением на подложку из газово-ионной смеси и др. Электрод-отражатель 6 изготавливают из карбида циркония, анод 7 из молибдена, вольфрама, тантала и графита. В зависимости от предназначения источника ионов размеры, форма и положение анода в разрядной камере могут изменяться. Например, в сечении он может иметь форму пластины, открытого желоба или угольника, как показано, например, на фиг. 1, 2 и 3. Электрод-отражатель 11 (фиг. 3) может быть закреплен на торцевой стенке или на ближнем к нему конце анода. Таким образом, в источнике ионов изолирован только анод с помощью двух изоляторов, которые находятся вдали от накаленного катода и электрода-отражателя и защищены от запыления телом анода. Прямой режим разряда используют в случаях, когда требуется разделение изотопов элементов, в имплантерах при высококачественном производстве интегральных схем и т. д.The ion source (Figs. 1 and 2) contains a hollow discharge chamber 1, a cover 2 with an extraction slit, an element of a cathode 3 soldered to a cathode substrate 4, an auxiliary cathode filament 5, a reflector electrode 6 under the discharge chamber potential, an anode 7, an insulator 8 the anode, the terminal 9 of the anode, the tube 10 for supplying the working substance to the discharge chamber, the reflector electrode 11 (Fig. 3), isolated from the discharge chamber, the insulator 12 and the terminal 13.

the direction of the external magnetic field vector in which the ion source operates. The cathode element 3 is made of zirconium carbides, nitrides and borides (ZrC, ZrN, ZrB) of various shapes: in the form of cylinders, parallelepipeds, etc. For these materials, it was experimentally established that the sputtering rate of argon ions at an energy of 200 eV is lower in 3-4 times than that of tungsten, and they are not subject to chemical erosion when working in an ion source with BF, N ₂ , etc. The elements of cathode 3 are connected to substrates 4 in a vacuum in several ways: a) by soldering with zirconium, niobium and other metals b) thermodiffusion welding when heated under pressure, c) deposition on a substrate of a gas-ion mixture, etc. The reflector electrode 6 is made of zirconium carbide, the anode 7 is made of molybdenum, tungsten, tantalum and graphite. Depending on the purpose of the ion source, the size, shape and position of the anode in the discharge chamber may vary. For example, in cross section, it may be in the form of a plate, an open trough or a square, as shown, for example, in FIG. 1, 2 and 3. The reflector electrode 11 (Fig. 3) can be mounted on the end wall or at the end of the anode proximal to it. Thus, only the anode is isolated in the ion source using two insulators, which are located far from the heated cathode and reflector electrode and are protected from dusting by the body of the anode. The direct discharge mode is used in cases when separation of isotopes of elements is required, in implants in high-quality production of integrated circuits, etc.

Испытания источников ионов проведены во внешних магнитных полях 100-600 Гс, поскольку источники ионов в имплантерах работают в этом диапазоне. После достижения достаточного разрежения в вакуумной камере пропусканием тока накала накаливают нить вспомогательного катода 5 до термоэмиссионной температуры, подают ускоряющее электроны напряжение U_емежду нитью 5 и катодом 4, и электронной бомбардировкой катоду сообщают мощность P U_e * I_e, затем подают рабочее вещество по трубке 10 со скоростью подачи Q атм. см³ мин^-1, включают разрядное напряжение U_pмежду катодом 4 и анодом 7 и после загорания разряда, с помощью регулировки подводимой к катоду мощности Р и величины разрядного напряжения, устанавливают необходимые для каждого конкретного случая режимы работы источника ионов: ток разряда I_p и напряжение разряда U_p. Для формирования пучка в экстракционной щели с поверхностью S и ускорения ионов подают напряжение U_уск на электроды ионной оптики. После ввода источника ионов в рабочий режим он в течение многих часов работает стабильно и не требует регулировок. При работе ионного источника, например, в магнитном поле B 400 Гс в осциллирующем режиме разряда при использовании элемента катода 3, изготовленного из карбида циркония размерами 10 х 6 х 6 мм³, припаянного к подложке 4 вольфрамовому диску диаметром 12 мм, высотой 2 мм, необходимая мощность Р накала катода составляет 250 Вт, при подаче N₂ Q 3 атм. см³ мин^-1, для поддержания разряда I_p 7А, U_p 100В. При этом ток в пучке ионов I_i, ускоренных напряжением U_уск 15 кВ, составляет 100 мА при размерах экстракционной щели S 2 х 50 мм². Интенсивность тока в пучке возрастает с повышением В, как видно на фиг. 4, вследствие увеличения притока ионов к экстракционной щели. Срок службы источника в этом режиме работы превышает 100 ч. По сравнению с вольфрамовым катодом в аналогичных условиях работы требуемая мощность накала ZrC катода в два раза ниже, а срок его службы в три раза больше.Tests of ion sources were carried out in external magnetic fields of 100-600 G, since ion sources in implants operate in this range. After reaching a sufficient vacuum in the vacuum chamber by passing a current filament glows thread auxiliary cathode 5 to thermionic temperature is fed accelerating electrons voltage U _e between the filament 5 and the cathode 4, and electron bombardment of the cathode reported power PU _{_e} * I _e, is then fed to the working medium through the tube 10 with a feed rate of Q atm. cm ³ min ^-1 , include the discharge voltage U _p between the cathode 4 and the anode 7 and after ignition of the discharge, by adjusting the power P supplied to the cathode and the magnitude of the discharge voltage, the operation modes of the ion source necessary for each particular case are established: discharge current I _p and discharge voltage U _p . To form a beam in the extraction gap with surface S and accelerate ions, a voltage U _{accele is} applied to the electrodes of ion optics. After entering the ion source into operation, it works stably for many hours and does not require adjustments. When an ion source is operating, for example, in a magnetic field of B 400 G in an oscillating discharge mode using a cathode element 3 made of zirconium carbide 10 x 6 x 6 mm ^{3 in} size, a tungsten disk 12 mm in diameter, 2 mm high, soldered to the substrate 4, the required power P of the cathode glow is 250 W, when N ₂ Q 3 atm is supplied. cm ³ min ^-1 , to maintain the discharge I _p 7A, U _p 100V. In this case, the current in the ion beam I _i accelerated by a voltage U _{accele of} 15 kV is 100 mA with an extraction gap S 2 x 50 mm ² . The beam current intensity increases with increasing B, as can be seen in FIG. 4, due to an increase in the influx of ions to the extraction gap. The service life of the source in this operating mode exceeds 100 hours. Compared to a tungsten cathode under similar operating conditions, the required glow power of the ZrC cathode is two times lower and its service life is three times longer.

Упрощение конструкции источника ионов и повышение надежности его работы достигается тем, что изолирован только анод, оба изолятора которого находятся вдали от накаленного катода и электрода-отражателя и защищены от запыления телом анода. Simplification of the design of the ion source and increasing the reliability of its operation is achieved by the fact that only the anode is isolated, both insulators of which are far from the heated cathode and reflector electrode and are protected from dusting by the body of the anode.

Увеличение интенсивности и плотности ионного тока в пучке ускоренных ионов достигается образованием вынужденного притока заряженных частиц плазмы разряда к экстракционной щели поперек силовых линий внешнего магнитного поля. An increase in the intensity and density of the ion current in the beam of accelerated ions is achieved by the formation of a stimulated flow of charged particles of the discharge plasma to the extraction gap across the field lines of the external magnetic field.

Увеличение срока службы источника ионов в несколько раз и снижение энергозатрат на нагревание катода достигается использованием материала элемента катода с повышенной стойкостью к ионному распылению, химической эрозии и обладающего меньшей работой выхода электронов, чем тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал). An increase in the lifetime of the ion source by several times and a decrease in the energy consumption for heating the cathode are achieved by using the material of the cathode element with increased resistance to ion sputtering, chemical erosion, and having a lower electron work function than refractory metals (tungsten, tantalum).

Увеличение эффективности использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру, осуществляется надежной герметизацией разрядной камеры и организацией вынужденного притока ионов из объема плазменного столба разряда к экстракционной щели поперек силовых линий внешнего магнитного поля в скрещенных

полях.The efficiency of the use of the working substance supplied to the discharge chamber is increased by reliable sealing of the discharge chamber and the organization of a forced influx of ions from the volume of the plasma column of the discharge to the extraction gap across the lines of force of the external magnetic field in crossed

fields.

Claims

1. ION SOURCE, comprising a discharge chamber with a slit hole for ion extraction, a magnetic system that creates a magnetic field in the cavity of the discharge chamber, the direction of the induction vector of which coincides with the longitudinal axis of symmetry of the chamber, a heated cathode with an auxiliary thermionic cathode, and a reflector electrode located at opposite end surfaces of the discharge chamber and connected to a discharge voltage source, characterized in that the heated cathode and the discharge chamber are connected to the negative y pole of the discharge voltage, while in the discharge chamber arranged electrically insulated anode connected to the positive pole of the discharge voltage.

2. The ion source according to claim 1, characterized in that the shape of the anode and its location in the discharge chamber are selected such that the velocity vector of the drift of plasma electrons in the discharge chamber in crossed electric and magnetic fields is directed towards the slot hole.

3. The ion source according to claims 1 and 2, characterized in that the heated cathode is made in the form of an element soldered to a substrate of refractory material, while the cathode and the reflector electrode are made of materials that are more resistant to ion sputtering than tungsten.

4. The ion source according to claims 1 to 3, characterized in that the reflector electrode is electrically isolated from the discharge chamber and connected to the positive pole of the discharge voltage source.