RU2096856C1

RU2096856C1 - Ion beam formation method and device intended for its realization

Info

Publication number: RU2096856C1
Application number: RU95122396A
Authority: RU
Inventors: Б.Н. Машковцев
Original assignee: Машковцев Борис Николаевич; Акционерное общество закрытого типа "Римос"
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1995-12-29
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: ion beam formation technology. SUBSTANCE: targets are subjected to effect of fluxes of secondary electrons simultaneously with laser radiation. To form ion beam, secondary emission electrode adjacent to target is used. This electrode forms electron flux directed to target. It is made as disc with holes. EFFECT: improved ion beam formation process. 2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технике получения потоков заряженных частиц и может найти применение в машиностроении для модификации физико-химических свойств поверхностей металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников методом ионной имплантации. The present invention relates to techniques for producing flows of charged particles and may find application in mechanical engineering for modifying the physicochemical properties of surfaces of metals, alloys, dielectrics and semiconductors by ion implantation.

Известен способ получения ионного пучка, включающий введение частиц имплантируемого вещества в вакуумную камеру, ионизацию нейтральных частиц и ускорение ионов с помощью сильного электрического поля в сторону подложки (см. эк.п. ГДР N 280198,H01 J 3/04, 27.06.90 г.). A known method for producing an ion beam, including introducing particles of an implantable substance into a vacuum chamber, ionizing neutral particles and accelerating ions using a strong electric field towards the substrate (see ex.d. GDR N 280198, H01 J 3/04, 27.06.90 g .).

Известно устройство, реализующее способ получения ионного пучка, содержащее разрядную камеру источника ионов, в которую введена проба материала со специфическими свойствами (см. эк.п. ГДР N 298556,H01 J 27.02.92 г.). A device is known that implements a method for producing an ion beam, comprising a discharge chamber of an ion source into which a sample of material with specific properties has been introduced (see ec. GDR N 298556, H01 J 02.27.92).

Недостатками известных способа и устройства являются значительные затраты электрической энергии для получения ионного тока, малые величины ионного тока и длительности импульса, которые ограничены энергией лазерного излучения. The disadvantages of the known method and device are the significant cost of electrical energy to produce ion current, small ion current and pulse duration, which are limited by the energy of laser radiation.

Известен способ получения ионного пучка, включающий воздействие сфокусированного импульсного излучения на поверхность твердого тела, испарение твердого тела, ионизацию пара электрическим разрядом, вектор электрического поля которого параллелен вектору скорости струи пара, при этом экстракцию ионов из плазмы осуществляют электрическим полем, вектор напряженности которого перпендикулярен вектору скорости струи пара (см. авт.св. СССР N 1385900,H01 J 23.12.85 Г.). A known method of producing an ion beam, including the action of focused pulsed radiation on the surface of a solid, evaporation of a solid, ionization of a vapor by an electric discharge, the electric field vector of which is parallel to the steam jet velocity vector, the ions are extracted from the plasma by an electric field whose intensity vector is perpendicular to the vector steam jet velocities (see ed. St. USSR N 1385900, H01 J 12/23/85 G.).

Известно устройство для получения ионного пучка, реализующее известный способ, содержащее источник излучения, вакуумную камеру с окном для ввода излучения, размещенные в ней и расположенные на одной оси твердотельную мишень и электроды с отверстиями, диаметр которых равен диаметру активного элемента источника излучения, вытягивающие электроды, расположенные перпендикулярно плоскости электродов с отверстиями (см. авт.св. СССР N 1385900, H01 J 23.12.85 г.). A device is known for producing an ion beam that implements a known method comprising a radiation source, a vacuum chamber with a window for introducing radiation, a solid-state target and electrodes with openings located on the same axis and having openings whose diameter is equal to the diameter of the active element of the radiation source, pulling electrodes, located perpendicular to the plane of the electrodes with holes (see ed. St. USSR N 1385900, H01 J 12/23/85).

Недостатками известных способа и устройства являются малые величины ионного тока и длительности импульса, хотя для ионизации используется энергия электрического поля, но для испарения используется только энергия лазерного излучения, ограничение области применения из-за малой величины ионного тока, значительные удельные затраты энергии. The disadvantages of the known method and device are small values of the ion current and pulse duration, although the energy of the electric field is used for ionization, but only the energy of laser radiation is used for evaporation, limiting the field of application due to the small value of the ion current, and significant unit energy consumption.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение амплитуды и длительности импульса ионного тока, снижение удельных энергозатрат на образование ионов. The technical result of the invention is to increase the amplitude and duration of the ion current pulse, reducing the specific energy consumption for the formation of ions.

Результат достигается тем, что в способе получения ионного пучка, включающем испарение материала мишени путем воздействия сфокусированного лазерного излучения на поверхность мишени, ионизацию полученного пара и экстракцию ионов из плазмы с помощью электрического поля одновременно с воздействием сфокусированного лазерного излучения на материал мишени, дополнительно испаряют материал мишени и ионизируют пар за счет формирования потока вторичных электронов и направления его на мишень. The result is achieved in that in the method of producing an ion beam, including the evaporation of the target material by the action of focused laser radiation on the target surface, the ionization of the resulting vapor and the extraction of ions from the plasma using an electric field, simultaneously with the action of the focused laser radiation on the target material, the target material is additionally vaporized and ionize the vapor due to the formation of a stream of secondary electrons and directing it to the target.

Результат также достигается тем, что в устройство для получения ионного пучка, содержащее источник лазерного излучения, вакуумную камеру с оптическим окном для ввода излучения, размещенные в ней и расположенные на одной оси твердотельную мишень, вытягивающий электрод и экстрагирующий электрод, подключенный к отрицательной шине первого источника питания, второй источник питания, положительная шина которого подключена к твердотельной мишени, введен вторично-эмиссионный формирующий электрод, который размещен соосно между мишенью и вытягивающим электродом, электрически соединен с последним, выполнен в виде диска с отверстиями и подключен к положительной шине первого и отрицательной шине второго источников питания. The result is also achieved by the fact that in the device for producing an ion beam containing a laser radiation source, a vacuum chamber with an optical window for inputting radiation, a solid-state target, a pulling electrode and an extraction electrode connected to the negative bus of the first source are placed on it and are located on the same axis a second power source, the positive bus of which is connected to the solid-state target, a secondary-emission forming electrode is introduced, which is placed coaxially between the target and the elongate a burning electrode, electrically connected to the latter, made in the form of a disk with holes and connected to the positive bus of the first and negative bus of the second power source.

Увеличение количества плазмы, получаемое в результате бомбардировки мишени сформированным потоком вторичных электронов, образованных при взаимодействии лазерной плазмы с формирующим электродом, увеличивает длительность и амплитуду ионного тока, а также приводит к снижению удельных энергозатрат, т. к. по сравнению с известными способами и устройствами при той же энергии лазерного излучения позволяет получить значительно большую величину ионного тока. На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The increase in the amount of plasma resulting from the bombardment of the target by the generated stream of secondary electrons generated by the interaction of the laser plasma with the forming electrode increases the duration and amplitude of the ion current, and also leads to a decrease in specific energy consumption, since, in comparison with the known methods and devices, the same laser radiation energy allows to obtain a much larger ion current. The drawing shows a structural diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит источник 1 лазерного излучения, вакуумную камеру 2 с оптическим окном для ввода излучения, расположенные на одной оси внутри камеры 2 твердотельную мишень 3, вторично-эмиссионный формирующий электрод 4, вытягивающий электрод 5 и экстрагирующий электрод 6, электроды 5 и 6 выполнены в виде мелкоструктурной проводящей сетки, первый источник 7 питания, положительная шина которого подключена к формирующему электроду 4, электрически связанному с вытягивающим электродом 5, второй источник 8 питания, положительная шина которого подключена к мишени 3, отрицательная к формирующему электроду 4. Формирующий электрод 4 выполнен в виде диска с отверстиями, которые могут иметь щелевую, цилиндрическую или коническую форму, при этом глубина отверстий должна быть больше их поперечного сечения и обусловлена проникновением электрического поля на всю толщину электрода 4 и возможностью выхода электронов из отверстия. Расстояние от электрода 4 до мишени 3, толщина диска электрода 4 и поперечный размер отверстий в нем подбираются экспериментально. (При толщине электродов 4 меньше поперечного размера отверстия мал выход вторичных электронов.) Второй источник 8 питания выполнен импульсным. Длительность импульсов напряжения выбирается из условия обеспечения эффективной вторичной эмиссии и предотвращения возникновения в разряде электрической дуги, которая неизбежно возникает в разряде, где существует процесс увеличения электронов с коэффициентом больше единицы. Блок управления, осуществляющий запуск импульсного источника 8 питания и источника 1 лазерного излучения, расположен вне вакуумной камеры 2 и на фигуре не показан. The device contains a laser radiation source 1, a vacuum chamber 2 with an optical window for inputting radiation, a solid-state target 3 located on the same axis inside the chamber 2, a secondary emission forming electrode 4, a drawing electrode 5 and an extraction electrode 6, electrodes 5 and 6 are made in the form fine-grained conductive grid, the first power supply 7, the positive bus of which is connected to the forming electrode 4, electrically connected to the drawing electrode 5, the second power supply 8, the positive bus of which connected to the target 3, negative to the forming electrode 4. The forming electrode 4 is made in the form of a disk with holes that can have a slot, cylindrical or conical shape, while the depth of the holes should be greater than their cross section and due to the penetration of the electric field through the entire thickness of the electrode 4 and the possibility of electrons coming out of the hole. The distance from the electrode 4 to the target 3, the thickness of the disk of the electrode 4 and the transverse size of the holes in it are selected experimentally. (When the thickness of the electrodes 4 is less than the transverse size of the hole, the output of the secondary electrons is small.) The second power supply 8 is made pulsed. The duration of voltage pulses is selected from the condition of ensuring effective secondary emission and preventing the appearance of an electric arc in the discharge, which inevitably occurs in the discharge, where there is a process of increasing electrons with a coefficient greater than unity. The control unit that launches the pulsed power supply 8 and the laser radiation source 1 is located outside the vacuum chamber 2 and is not shown in the figure.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

После откачки вакуумной камеры 2 до давления порядка 10^-4 Па через оптическое окно в камеру 2 направляю на мишень 3 излучение от источника 1. Мощность излучения выбрана такой, чтобы обеспечить интенсивное испарение и ионизацию материала мишени 3 (например плотность потока излучения лазера выбирают порядка 10⁸ 10⁹ вт/см² при длительности импульса порядка 10 30 н/сек). Лазерная плазма, распространяясь в электрическом поле мишень 3 электроды 4-5, приобретает направленное движение в сторону электрода 4, часть ее проходит сквозь отверстия электрода 4, доходит до экстрагирующего электрода 5, где напряжение от источника 7, приложенное к электродам 5 и 6, обеспечивает вытягивание ионного пучка. В то же время ионы плазмы, попавшие на внутреннюю поверхность отверстий электрода 4, бомбардируют стенки отверстий под очень малым углом (в силу протяженности отверстий), вызывают вторичную электронную эмиссию. Коэффициент вторичной эмиссии γ зависит от энергии иона, типа и состояния поверхности, при энергии иона порядка 1 кэВ g порядка 0,2 10 эл/ион. Дальнейшее увеличение энергии иона (за счет увеличения напряжения источника 7 питания до 10 кВ) ограничивается техническими сложностями реализации устройства, кроме того, коэффициент вторичной эмиссии растет значительно медленнее порядка 1 10% чем технические трудности. Одновременно с лазерным импульсом на мишень 3 подается положительный импульс от источника 8. Вторичные электроны, ускоряясь в электрическом поле мишень 3 электрод 4, формируются в электронный поток, попадающий на мишень 3. Электроны бомбардируют мишень 3, вызывая дополнительный нагрев ее, испарение материала мишени 3 и ионизацию пара. Ионы плазмы, прошедшие отверстия электрода 5, попадают в ускоряющее электрическое поле, образованное системой электродов 5 и 6. В результате получения дополнительного пара и его ионизации амплитуда и длительность импульса ионного тока значительно увеличиваются.After evacuating the vacuum chamber 2 to a pressure of the order of 10 ^-4 Pa through the optical window into the chamber 2, I direct the radiation from the source 1 to the target 3. The radiation power is selected so as to ensure intensive evaporation and ionization of the target material 3 (for example, a laser radiation flux density of the order of 10 ⁸ 10 ⁹ W / cm ² with a pulse duration of the order of 10 30 n / s). The laser plasma, propagating in the electric field, the target 3 electrodes 4-5, acquires directional movement towards the electrode 4, part of it passes through the holes of the electrode 4, reaches the extracting electrode 5, where the voltage from the source 7, applied to the electrodes 5 and 6, provides stretching the ion beam. At the same time, plasma ions that hit the inner surface of the holes of the electrode 4 bombard the walls of the holes at a very small angle (due to the length of the holes) and cause secondary electron emission. The secondary emission coefficient γ depends on the ion energy, type and state of the surface, with an ion energy of the order of 1 keV g of the order of 0.2 10 el / ion. A further increase in the ion energy (due to an increase in the voltage of the power supply 7 to 10 kV) is limited by the technical difficulties of implementing the device, in addition, the secondary emission coefficient grows much more slowly about 1 10% than the technical difficulties. Simultaneously with the laser pulse, a positive pulse from source 8 is supplied to the target 3. Secondary electrons, accelerating in the electric field of the target 3, electrode 4, are formed into an electron stream incident on the target 3. Electrons bombard the target 3, causing its additional heating, evaporation of the target material 3 and steam ionization. Plasma ions passing through the holes of the electrode 5 fall into the accelerating electric field formed by the system of electrodes 5 and 6. As a result of receiving additional steam and its ionization, the amplitude and duration of the ion current pulse increase significantly.

Использование данного способа и устройства по сравнению с известными позволяет увеличить амплитуду ионного тока более чем на порядок, достигая значения 10 50, а при площади пучка ионов порядка 100 150 см² длительность импульса тока при этом достигает величины порядка 10^-3 сек. Удельные энергозатраты на образование ионов по сравнению с известными устройствами снижены почти на два порядка. Глубина слоя обработки при данном способе может достигать десятки микрон, а производительность процесса соизмерима с процессом напыления. Использование ионного пучка с большой плотностью тока позволяет получать износостойкие и жаропрочные покрытия, формировать на поверхности металлов слой вентильного металла, а также использовать предлагаемое изобретение при создании материалов с новыми физико-химическими свойствами.Using this method and device in comparison with the known ones allows increasing the amplitude of the ion current by more than an order of magnitude, reaching a value of 10 50, and when the ion beam area is about 100 150 cm ^{2, the} duration of the current pulse in this case reaches a value of about 10 ^-3 sec. The specific energy consumption for the formation of ions compared with known devices is reduced by almost two orders of magnitude. The depth of the processing layer with this method can reach tens of microns, and the productivity of the process is comparable with the spraying process. The use of an ion beam with a high current density allows one to obtain wear-resistant and heat-resistant coatings, form a valve metal layer on the surface of metals, and also use the present invention when creating materials with new physicochemical properties.

Claims

1. The method of producing an ion beam, including the evaporation of the target material by the action of focused laser radiation on the target surface, ionization of the resulting vapor and the extraction of ions from the plasma using an electric field, characterized in that, simultaneously with the action of laser radiation on the target material, the target material is additionally vaporized and ionize the vapor due to the formation of a stream of secondary electrons formed during the interaction of the laser plasma with the focusing electrode, and directing it to the target.

2. A device for producing an ion beam containing a laser radiation source, a vacuum chamber with an optical window for inputting radiation, a solid-state target, a pulling electrode and an extraction electrode connected to the negative bus of the first power source, located in it and located on the same axis, the second power source the positive bus of which is connected to a solid-state target, characterized in that a secondary-emission forming electrode is introduced, which is placed coaxially between the target and the pulling electron Odom, is electrically connected with the latter, it is formed as a disk with apertures and connected to the first positive bus and negative bus of the second power source.