RU2075132C1

RU2075132C1 - Source of intense ion beams

Info

Publication number: RU2075132C1
Authority: RU
Inventors: И.М. Ройфе
Original assignee: Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1997-03-10

Abstract

FIELD: accelerators. SUBSTANCE: liquid dielectric material is used in device design. This results in possibility to increase intensity of generated ion flow due to concentration of electric field of non uniform structures on emitter surface and ionization of vapors of liquid in glowing discharge. Intense ion beam source has extracting electrode and emitter which are located in coaxial. Emitter is designed as needle current terminals which are impregnated in dielectric liquid. Pressure of recess vapor is greater than level for ignition of glowing discharge in inter-electrode gap. EFFECT: increased efficiency of ion beam generation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электрофизике и может быть использовано в ускорительной технике, плазмохимии, для имплантации частиц, в частности в микроэлектронике и в других технологических процессах. The invention relates to electrophysics and can be used in accelerator technology, plasma chemistry, for implantation of particles, in particular in microelectronics and in other technological processes.

Известны способы создания ионных пучков с помощью источников типа дуоп- лазмотрон (М. В. Габович, "Физика и техника плазменных источников ионов". М. Атомиздат, 1972 г. стр. 154), а также с помощью источников, где в эмиттере используются жидкие металлы (R. Gomer, "On the Mechanism of Liquid Metal Electron and lon Sources", Appl. Phys. 19, 1979, pp 365-375) или расплавленный диэлектрик (В. Г. Дудников, А. Л. Шабалин "Получение ионных пучков из расплавов диэлектриков в режиме элект- рического эмиттера", Письма в ЖТФ, т. 11, в. 13, стр. 808-812). Known methods for creating ion beams using sources such as a duoplasmotron (MV Gabovich, “Physics and Technique of Plasma Ion Sources”. M. Atomizdat, 1972 p. 154), as well as using sources where the emitter is used liquid metals (R. Gomer, "On the Mechanism of Liquid Metal Electron and lon Sources", Appl. Phys. 19, 1979, pp 365-375) or a molten dielectric (V. G. Dudnikov, A. L. Shabalin "Production ion beams from melts of dielectrics in the regime of an electric emitter ", Letters to ZhTF, vol. 11, v. 13, p. 808-812).

Последний источник является наиболее близким к заявляемому и поэтому может рассматриваться как прототип. The latter source is the closest to the claimed and therefore can be considered as a prototype.

Прототип работает в непрерывном режиме с токами масштаба долей миллиампера при величине энергии ионов около 10 кВ. В то же время для эффективного использования источ ника, в частности однократно заряженных ионов углерода (как прототипа, так и дуоплазмотрона), например для создания алмазного покрытия (Т. Miyzawa et al, "Preparation and structure of carbon film deposited by a macc-separated C⁺ ion beam", J. Appl. Phys. 55 (1)- 188-193, 1984) требуется специальная система торможения ионов до энергии 600 эВ. Величины токов ионов углерода с такими энергиями должны быть масштаба десятков миллиампер.The prototype operates in continuous mode with currents on a scale of fractions of a milliampere with an ion energy of about 10 kV. At the same time, for efficient use of the source, in particular, singly charged carbon ions (both prototype and duoplasmatron), for example, to create a diamond coating (T. Miyzawa et al, "Preparation and structure of carbon film deposited by a macc-separated C ⁺ ion beam ", J. Appl. Phys. 55 (1) - 188-193, 1984) requires a special ion braking system to an energy of 600 eV. The currents of carbon ions with such energies should be on the scale of tens of milliamps.

Для решения проблем повышения интенсивности и исключения системы дополнительного торможения предлагается ионный источник, содержащий эмиттер ионов, экстрактор и источник питания. Эмиттер ионов выполнен из жидкого диэлектрика с высоким давлением остаточных паров, со смачи- ваемыми металлическими острийными токовводами, подключенными к источнику питания, напряжение которого достаточно для зажигания тлеющего разряда. To solve the problems of increasing the intensity and eliminating the additional braking system, an ion source containing an ion emitter, an extractor, and a power source is proposed. The ion emitter is made of a liquid dielectric with a high pressure of residual vapors, with wettable metal tip current leads connected to a power source, the voltage of which is sufficient to ignite a glow discharge.

Предлагаемый источник ионов показан на чертеже, где 1 рабочая диэлектрическая жидкость, налитая в объем из изоляционного материала; 2 - металлические анодные токовводы, слабо выступающие над поверхностью жидкости; 3 металлический экстрактор-катод с экстракторной щелью; 4 коллектор ионов. The proposed ion source is shown in the drawing, where 1 working dielectric fluid poured into a volume of insulating material; 2 - metal anode current leads, slightly protruding above the surface of the liquid; 3 metal cathode extractor with extractor slit; 4 ion collector.

Работа источника определяется возможностью зажигания тлеющего разряда в промежутке экстрактор 3, токовводы 2. При этом под воздействием приложенного напряжения на по верхности жидкости вблизи токовводов развивается капиллярная неустойчивость, которая приводит к образованию так называемых "конусов Тейлора" (см. выше R. Gomer, Appl. Phys.) и концентрации у их вершины электрического поля. В этом сильном электрическом поле идут интенсивные процессы ионизации паров жидкости и набор энергии образующимися ионами до величины падения напряжения на тлеющем разряде, т.е. примерно 600 эВ. The operation of the source is determined by the possibility of ignition of a glow discharge in the gap of the extractor 3, the current leads 2. In this case, under the influence of an applied voltage, a capillary instability develops on the liquid surface near the current leads, which leads to the formation of the so-called "Taylor cones" (see above R. Gomer, Appl Phys.) And the concentration at their apex of the electric field. In this strong electric field, intense processes of ionization of the liquid vapor and energy accumulation by the generated ions take place until the voltage drop across the glow discharge, i.e. approximately 600 eV.

Повышенная интенсивность работы предлагаемого источни- ка определяется возможностью его масштабирования, а также тем, что практически полностью разрядный ток одновременно является током ускоренных ионов. При давлении паров жидкости в разрядном промежутке ≅ 0,1 мм рт.ст. плотность ионного тока может быть получена масштаба ампера на см².The increased intensity of the proposed source is determined by the possibility of its scaling, as well as by the fact that the almost completely discharge current is simultaneously the current of accelerated ions. When the vapor pressure of the liquid in the discharge gap ≅ 0.1 mm RT.article the ion current density can be obtained on an ampere scale per cm ² .

Claims

A source of intense ion beams, consisting of a power source, an extractor, and an emitter made in the form of pointed current leads wetted by a dielectric fluid, characterized in that they use a dielectric fluid whose residual vapor pressure is sufficient for ignition in the interelectrode gap of a glow discharge.