RU2371803C1 - Plasma ion source - Google Patents
Plasma ion source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371803C1 RU2371803C1 RU2008126158/28A RU2008126158A RU2371803C1 RU 2371803 C1 RU2371803 C1 RU 2371803C1 RU 2008126158/28 A RU2008126158/28 A RU 2008126158/28A RU 2008126158 A RU2008126158 A RU 2008126158A RU 2371803 C1 RU2371803 C1 RU 2371803C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- additional electrode
- cathode
- anode
- chamber
- holes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. Изобретение может применяться в технологических установках, в которых используются ионные пучки для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации, очистки поверхностей и модификации поверхностных свойств материалов.The invention relates to plasma technology, and more specifically to plasma sources intended for the generation of intense ion beams. The invention can be applied in technological installations in which ion beams are used for coating, ion assisting, ion implantation, surface cleaning and modification of the surface properties of materials.
В настоящее время известны различные виды плазменных источников ионов, в состав которых входят холодные катоды. Так, например, из японской патентной заявки JP 57011448 (МПК - H01J 3/04, 27/08, дата публикации 21.01.82) известно газоразрядное устройство с полым катодом. Такое устройство используется в составе источников ионов. Электроны, генерируемые в полости катода, извлекаются в расширительную камеру вдоль силовых линий магнитного поля определенной пространственной конфигурации. Магнитное поле в таком устройстве создается с помощью магнитной системы, состоящей из нескольких электромагнитных катушек, установленных вокруг камеры полого катода. Конструкция этого устройства позволяет снизить энергозатраты на генерацию основного разряда и, соответственно, на генерацию широкоапертурного ионного пучка.Currently, various types of plasma ion sources are known, which include cold cathodes. So, for example, from Japanese patent application JP 57011448 (IPC -
Другой плазменный ионный источник, описанный в патенте США №4782235 (МПК-H01J 27/02, дата публикации 01.11.1988), содержит полый катод, расширительную анодную камеру и магнитную систему. В состав магнитной системы входит магнитопровод, образующий магнитный зазор между двумя кольцевыми полюсами, через который осуществляется извлечение ионов в расширительную камеру. Такое конструктивное выполнение источника ионов позволяет повысить его газовую и энергетическую эффективность, а также увеличить извлекаемый ионный ток.Another plasma ion source described in US Pat. No. 4,782,235 (IPC-H01J 27/02,
Плазменные источники ионов с холодными полыми катодами находят все более широкое применение в различных ионно-лучевых технологиях. Разработаны источники ионов, работающие как на инертных, так и на химически активных газах. В таких источниках, содержащих анодную камеру, отделенную от полого катода, используется полый холодный катод, в полости которого создается магнитное поле для стабилизации разряда. Величина ионного тока в источниках ионов такого типа составляет от 100 до 300 мА в зависимости от диаметра выходного отверстия разрядной камеры. Разрядное напряжение между стенками полого катода и анодной камерой выбирается в диапазоне от 350 до 550 В.Plasma ion sources with cold hollow cathodes are increasingly used in various ion beam technologies. Ion sources have been developed that work on both inert and chemically active gases. In such sources, containing an anode chamber separated from the hollow cathode, a hollow cold cathode is used, in the cavity of which a magnetic field is created to stabilize the discharge. The magnitude of the ion current in ion sources of this type is from 100 to 300 mA, depending on the diameter of the outlet of the discharge chamber. The discharge voltage between the walls of the hollow cathode and the anode chamber is selected in the range from 350 to 550 V.
Однако интенсивные широкоапертурные ионные пучки, генерируемые с помощью описанных выше плазменных источников ионов, обладают низкой однородностью распределения плотности тока по сечению пучка. Неоднородность плотности ионного тока в таких источниках ионов обусловлена неравномерным распределением концентрации заряженных частиц в анодной камере вблизи ее эмиссионного отверстия. Величина неоднородности ионного тока обычно превышает 10% от средней плотности ионного тока, что существенно ограничивает возможность использования таких источников ионов в составе ионно-лучевых технологических установок, предназначенных для обработки различных материалов пучками большого сечения.However, intense wide-aperture ion beams generated using the plasma ion sources described above have a low uniformity in the distribution of current density over the beam cross section. The inhomogeneity of the ion current density in such ion sources is due to the uneven distribution of the concentration of charged particles in the anode chamber near its emission hole. The magnitude of the inhomogeneity of the ion current usually exceeds 10% of the average ion current density, which significantly limits the possibility of using such ion sources in ion beam processing plants designed to process various materials with large cross-section beams.
Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является плазменный источник ионов, конструкция которого раскрыта в патенте РФ №2167466С1 (МПК - H01J 3/04, 37/08, дата публикации 20.05.2001). Известный источник ионов содержит катодную камеру с газовводом, полый анод, образующий анодную камеру, электростатическую систему извлечения ионов с электроизолированным эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры. В катодной камере установлен электрод инициации разряда, электрически соединенный с полым анодом. У выходного отверстия катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры. В дополнительном электроде выполнено отверстие, диаметр которого не превышает 10% от максимального внутреннего поперечного размера полого анода. Анодная камера сообщена с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в торцевой стенке последней, и через отверстие, выполненное в дополнительном электроде. Источник ионов включает в свой состав магнитную систему, обеспечивающую создание в катодной и анодной камерах магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления. Кроме того, величина индукции магнитного поля спадает в направлении от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и по направлению к выходным отверстиям камер.The closest analogue of the patented invention is a plasma ion source, the design of which is disclosed in RF patent No. 2164466C1 (IPC - H01J 3/04, 37/08, publication date 05/20/2001). A known ion source comprises a cathode chamber with a gas inlet, a hollow anode forming an anode chamber, an electrostatic ion extraction system with an electrically insulated emission electrode mounted in the outlet of the anode chamber. A discharge initiation electrode is installed in the cathode chamber, electrically connected to the hollow anode. An additional electrode is installed at the outlet of the cathode chamber, which is electrically isolated from the hollow anode and the cathode chamber. A hole is made in the additional electrode, the diameter of which does not exceed 10% of the maximum internal transverse dimension of the hollow anode. The anode chamber is in communication with the cathode chamber through an outlet made in the end wall of the latter, and through an opening made in the additional electrode. The ion source includes a magnetic system that ensures the creation of a magnetic field in the cathode and anode chambers with an induction vector of predominantly axial direction. In addition, the magnitude of the magnetic field induction decreases in the direction from the walls of the anode and cathode chambers to their longitudinal axis of symmetry and towards the outlet openings of the chambers.
Использование магнитной системы с осевым направлением вектора магнитной индукции обеспечивает снижение неравномерности распределения концентрации заряженных частиц в камерах и снижение потерь генерируемых ионов на стенках камер. Данный источник ионов позволяет генерировать широкоапертурные ионные пучки инертных и химически активных газов с достаточно высокой однородностью плотности ионного тока. При использовании известного источника ионов неоднородность распределения плотности ионного тока по сечению пучка диаметром 40 мм не превышала 5%. Однако необходимо отметить, что требуемая равномерность распределения высокоэнергетичных электронов в объеме анодной камеры известного источника ионов достигается за счет применения специального отражателя электронов, установленного напротив отверстия в дополнительном электроде. Вместе с тем высокая однородность плотности ионного тока по сечению пучка достигалась при работе источника ионов с интенсивностью извлекаемого ионного тока в ограниченном диапазоне значений: от 20 до 70 мА.The use of a magnetic system with the axial direction of the magnetic induction vector reduces the uneven distribution of the concentration of charged particles in the chambers and reduces the loss of generated ions on the walls of the chambers. This ion source allows the generation of wide-aperture ion beams of inert and chemically active gases with a fairly high uniformity of ion current density. When using a known ion source, the heterogeneity of the distribution of ion current density over the cross section of a beam with a diameter of 40 mm did not exceed 5%. However, it should be noted that the required uniformity of the distribution of high-energy electrons in the volume of the anode chamber of a known ion source is achieved through the use of a special electron reflector mounted opposite the hole in the additional electrode. At the same time, a high uniformity of the ion current density over the beam cross section was achieved when the ion source was operated with the intensity of the extracted ion current in a limited range of values: from 20 to 70 mA.
При увеличении интенсивности извлекаемого ионного тока до 100÷120 мА в процессе работы плазменного источника ионов наблюдается образование так называемой «спицы»: осевой области в анодной камере с существенно высокой плотностью тока по сравнению с периферийными областями. В этом случае отклонение от среднего уровня плотности ионного тока может достигать до 70%. Кроме того, применение отражателя электронов, установленного в анодной камере для выравнивания плотности ионного тока, и использование сложной магнитной системы существенно усложняют конструкцию источника ионов.With an increase in the intensity of the extracted ion current to 100 ÷ 120 mA during the operation of the plasma ion source, the formation of the so-called "spokes" is observed: the axial region in the anode chamber with a significantly high current density compared to peripheral regions. In this case, the deviation from the average level of ion current density can reach up to 70%. In addition, the use of an electron reflector mounted in the anode chamber to equalize the ion current density and the use of a complex magnetic system significantly complicate the design of the ion source.
В основу изобретения положена задача, связанная с повышением равномерности распределения заряженных частиц в анодной камере и, соответственно, равномерности распределения плотности тока по сечению широкоапертурного пучка при увеличении извлекаемого ионного тока до значений более 100 мА. Другой задачей изобретения является исключение отражателя высокоэнергетичных электронов из состава устройства и существенное упрощение магнитной системы.The basis of the invention is the problem associated with increasing the uniformity of the distribution of charged particles in the anode chamber and, accordingly, the uniformity of the distribution of current density over the cross section of a wide-aperture beam with an increase in the extracted ion current to values of more than 100 mA. Another objective of the invention is the exclusion of the reflector of high-energy electrons from the device and a significant simplification of the magnetic system.
Решение перечисленных задач позволяет обеспечить достижение нового технического результата: повысить величину извлекаемого ионного тока широкоапертурного пучка при заданной однородности плотности тока по сечению пучка. Вместе с тем изобретение направлено на упрощение конструкции источника ионов за счет исключения дополнительных элементов конструкции, в том числе отражателя и элементов магнитной системы, размещенных в разрядном объеме источника ионов.The solution of these problems allows us to achieve a new technical result: to increase the extracted ion current of a wide-aperture beam at a given uniformity of current density over the beam cross section. However, the invention is aimed at simplifying the design of the ion source by eliminating additional structural elements, including the reflector and the elements of the magnetic system located in the discharge volume of the ion source.
Перечисленные технические результаты обеспечиваются за счет использования плазменного источника ионов, содержащего катодную камеру, снабженную патрубком ввода газа и электродом инициации разряда, полый анод, образующий анодную камеру, систему извлечения ионов с эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры, и магнитную систему, обеспечивающую создание магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления в катодной и анодной камерах. Источник ионов содержит также дополнительный электрод, электроизолированный от катодной камеры и установленный между катодной и анодной камерами. В дополнительном электроде выполнено, по меньшей мере, одно отверстие. Катодная и анодная камеры сообщены между собой через выходное отверстие катодной камеры, выполненное в торцевой стенке катодной камеры, отверстие, выполненное в дополнительном электроде, и входное отверстие анодной камеры, выполненное в торцевой стенке анодной камеры.These technical results are achieved through the use of a plasma ion source containing a cathode chamber equipped with a gas inlet pipe and a discharge initiation electrode, a hollow anode forming an anode chamber, an ion extraction system with an emission electrode installed in the outlet of the anode chamber, and a magnetic system providing creating a magnetic field with an induction vector of predominantly axial direction in the cathode and anode chambers. The ion source also contains an additional electrode, electrically insulated from the cathode chamber and installed between the cathode and anode chambers. At least one hole is made in the additional electrode. The cathode and anode chambers are interconnected through the outlet of the cathode chamber made in the end wall of the cathode chamber, the hole made in the additional electrode, and the inlet of the anode chamber made in the end wall of the anode chamber.
Диаметр d отверстия в дополнительном электроде согласно изобретению выбран из условия: 0,1 мм<d<1 мм. Магнитная система содержит, по меньшей мере, один источник магнитодвижущей силы, установленный коаксиально дополнительному электроду и создающий в отверстии дополнительного электрода магнитное поле в осевом направлении с величиной индукции от 2 до 15 мТл. Магнитная система выполнена таким образом, чтобы величина индукции магнитного поля В уменьшалась в осевом направлении от дополнительного электрода к эмиссионному электроду и от дополнительного электрода к торцевой стенке катодной камеры, противоположной по отношению к выходному отверстию, до значения не более 0,6 В.The diameter d of the hole in the additional electrode according to the invention is selected from the condition: 0.1 mm <d <1 mm. The magnetic system contains at least one source of magnetomotive force mounted coaxially with the additional electrode and generates an axial magnetic field in the hole of the additional electrode with an induction value of 2 to 15 mT. The magnetic system is designed so that the magnitude of the magnetic field induction B decreases in the axial direction from the additional electrode to the emission electrode and from the additional electrode to the end wall of the cathode chamber, which is opposite with respect to the outlet, to a value of not more than 0.6 V.
Совокупность перечисленных существенных признаков изобретения обеспечивает достижение нового технического результата, связанного с повышением однородности распределения плотности ионного тока по сечению интенсивного ионного пучка с величиной тока более 100 мА. Данный эффект достигается без использования дополнительных элементов конструкции по сравнению с выбранным прототипом за счет реализации условий для равномерного распределения концентрации заряженных частиц в объеме анодной камеры вблизи ее эмиссионного отверстия.The combination of these essential features of the invention provides a new technical result associated with an increase in the uniformity of the distribution of ion current density over the cross section of an intense ion beam with a current value of more than 100 mA. This effect is achieved without the use of additional structural elements compared with the selected prototype due to the implementation of conditions for a uniform distribution of the concentration of charged particles in the volume of the anode chamber near its emission hole.
В процессе работы плазменного источника ионов электроны, эмитированные с поверхности катода, ускоряясь в катодном слое, пересекают полость катодной камеры и попадают в область катодного слоя у противоположной стенки камеры. Осцилляция электронов продолжается до тех пор, пока они не попадут в область выходного отверстия, выполненного в торцевой стенке катодной камеры. Данное выходное отверстие сообщено с одним или несколькими отверстиями, выполненными в дополнительном электроде, который электроизолирован от катодной камеры.During the operation of the plasma ion source, the electrons emitted from the cathode surface, accelerating in the cathode layer, cross the cavity of the cathode chamber and fall into the region of the cathode layer near the opposite chamber wall. Electron oscillation continues until they fall into the region of the outlet made in the end wall of the cathode chamber. This outlet is in communication with one or more holes made in an additional electrode, which is electrically insulated from the cathode chamber.
Наложение осевого магнитного поля в катодной и анодной камерах затрудняет движение электронов в радиальном направлении, главным образом в области выходного отверстия катодной камеры и входного отверстия анодной камеры, где величина индукции магнитного поля достигает максимального уровня. Вместе с тем увеличение магнитной индукции магнитного поля в области выходного отверстия катодной камеры создает оптимальные условия для осцилляции электронов в объеме катодной камеры. Вследствие этого увеличивается длина траектории свободного движения электронов в катодной камере и повышается вероятность неупругого столкновения частиц. В этом случае повышается вероятность ионизации рабочего газа. Создание заданной конфигурации магнитного поля в области отверстий дополнительного электрода с определенным значением величины индукции поля (от 2 до 15 мТл) в целом позволяет увеличить время жизни электронов и повысить вероятность ионизации атомов рабочего газа.The application of an axial magnetic field in the cathode and anode chambers impedes the movement of electrons in the radial direction, mainly in the region of the outlet of the cathode chamber and the inlet of the anode chamber, where the magnitude of the magnetic field reaches a maximum level. At the same time, an increase in the magnetic induction of the magnetic field in the region of the outlet of the cathode chamber creates optimal conditions for the oscillation of electrons in the volume of the cathode chamber. As a result of this, the length of the trajectory of free motion of electrons in the cathode chamber increases and the probability of inelastic collisions of particles increases. In this case, the probability of ionization of the working gas increases. Creating a given configuration of the magnetic field in the region of the openings of the additional electrode with a certain value of the field induction (from 2 to 15 mT) as a whole allows increasing the electron lifetime and increasing the probability of ionization of the working gas atoms.
Вместе с тем существенное значение имеет поперечный размер отверстия (или нескольких отверстий) в дополнительном электроде, который находится под плавающим потенциалом в процессе работы источника ионов. При выборе диаметра отверстий в дополнительном электроде согласно установленному условию (0,1 мм<d<1 мм) исключается возможность влияния разрядного напряжения между катодной и анодной камерами на энергетическое распределение извлекаемых ионов. В этом случае энергия и плотность тока извлекаемых из анодной камеры ионов регулируются путем изменения величины потенциалов на электродах ионно-оптической системы извлечения ионов.At the same time, the transverse size of the hole (or several holes) in the additional electrode, which is at a floating potential during the operation of the ion source, is essential. When choosing the diameter of the holes in the additional electrode according to the established condition (0.1 mm <d <1 mm), the possibility of the influence of the discharge voltage between the cathode and anode chambers on the energy distribution of the extracted ions is excluded. In this case, the energy and current density of the ions extracted from the anode chamber are regulated by changing the potentials on the electrodes of the ion-optical ion extraction system.
Минимальный размер отверстий в дополнительном электроде (0,1 мм<d) определяется из условия превышения радиуса Дебая, т.е. условия, при выполнении которого обеспечивается нахождение рабочего вещества в состоянии плазмы. Таким образом, определенный выбор размера отверстий в дополнительном электроде позволяет поддерживать плазменное состояние рабочего газа в области каналов отверстий, выполненных в дополнительном электроде, при характерных для газоразрядных источников ионов режимах работы. При данных условиях обеспечивается проникновение электрического поля через отверстия из анодной камеры в катодную камеру, что необходимо для извлечения электронов из катодной в анодную камеру.The minimum size of the holes in the additional electrode (0.1 mm <d) is determined from the condition that the Debye radius is exceeded, i.e. conditions under which it is ensured that the working substance is in a plasma state. Thus, a certain choice of the size of the holes in the additional electrode allows you to maintain the plasma state of the working gas in the region of the channels of the holes made in the additional electrode, with operating modes characteristic of gas-discharge ion sources. Under these conditions, the penetration of the electric field through the holes from the anode chamber to the cathode chamber is ensured, which is necessary to extract electrons from the cathode to the anode chamber.
Максимальный размер отверстия в дополнительном электроде (d<1 мм) ограничивается размером прикатодной области падения потенциала, характерным для данного типа устройств. Следовательно, при выполнении условия 0,1 мм<d<1 мм в плазменном источнике ионов исключается влияние катодного потенциала на пространственный потенциал анодной камеры.The maximum size of the hole in the additional electrode (d <1 mm) is limited by the size of the near-cathode region of the potential drop, typical for this type of device. Consequently, if the condition 0.1 mm <d <1 mm is satisfied in the plasma ion source, the influence of the cathode potential on the spatial potential of the anode chamber is excluded.
Выполнение перечисленных выше условий в целом обеспечивает возможность равномерного распределения потенциала в объеме анодной камеры и концентрации заряженных частиц вблизи эмиссионного отверстия. Данная возможность определяет требуемую степень однородности распределения плотности тока по сечению извлекаемого ионного пучка.The fulfillment of the above conditions generally provides the possibility of a uniform distribution of potential in the volume of the anode chamber and the concentration of charged particles near the emission hole. This feature determines the required degree of homogeneity of the current density distribution over the cross section of the extracted ion beam.
В дополнительном электроде может быть выполнено несколько отверстий с диаметром d. В этом случае отверстия должны быть расположены на расстоянии не менее 2d между центрами близлежащих отверстий. Суммарная площадь SΣ поперечных сечений отверстий в дополнительном электроде выбирается из условия 0,03 мм2<SΣ<3 мм2.In the additional electrode, several holes with a diameter d can be made. In this case, the holes should be located at a distance of at least 2d between the centers of the neighboring holes. The total area S Σ of the cross sections of the holes in the additional electrode is selected from the condition 0.03 mm 2 <S Σ <3 mm 2 .
В предпочтительном варианте конструкции источника ионов в дополнительном электроде выполняется пять отверстий, одно из которых расположено соосно продольной оси симметрии дополнительного электрода, а четыре других отверстия расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности.In a preferred embodiment of the ion source design, five holes are made in the additional electrode, one of which is aligned with the longitudinal axis of symmetry of the additional electrode, and four other holes are located at equal distance from each other around the circumference.
Для обеспечения требуемого теплового режима плазменного источника ионов катодная камера в предпочтительном варианте выполнения может быть снабжена системой принудительного охлаждения.In order to provide the required thermal regime of the plasma ion source, the cathode chamber in the preferred embodiment may be equipped with a forced cooling system.
Возможны различные варианты выполнения источника магнитодвижущей силы магнитной системы, в качестве которого может использоваться сборка постоянных магнитов или электромагнитная катушка кольцеобразной формы.Various embodiments of the source of the magnetomotive force of the magnetic system are possible, for which an assembly of permanent magnets or an electromagnetic ring-shaped electromagnetic coil can be used.
Дополнительный электрод преимущественно выполняется с выступом, направленным в сторону полости катодной камеры. В этом случае отверстие находится в выступе дополнительного электрода. Выступ дополнительного электрода может иметь форму усеченного конуса. Данная форма выполнения дополнительного электрода служит для облегчения условий зажигания и поддержания электрического разряда между катодной и анодной камерами за счет применения концентраторов электрического поля в виде выступов электрода.The additional electrode is preferably performed with a protrusion directed towards the cavity of the cathode chamber. In this case, the hole is located in the protrusion of the additional electrode. The protrusion of the additional electrode may be in the form of a truncated cone. This embodiment of the additional electrode serves to facilitate ignition conditions and maintain an electric discharge between the cathode and anode chambers through the use of electric field concentrators in the form of electrode protrusions.
В предпочтительном варианте выполнения источника ионов анодная камера может быть снабжена заземленным корпусом, который электрически соединяется с дополнительным электродом.In a preferred embodiment of the ion source, the anode chamber may be provided with a grounded housing that is electrically connected to an additional electrode.
Изобретение поясняется описанием конкретного примера выполнения плазменного источника ионов, предназначенного для использования в составе ионно-лучевой технологической установки.The invention is illustrated by the description of a specific example of the implementation of a plasma ion source, intended for use as part of an ion-beam technological installation.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:The accompanying drawings show the following:
на фиг.1 схематично изображен продольный разрез плазменного источника ионов,figure 1 schematically shows a longitudinal section of a plasma ion source,
на фиг.2 схематично изображен поперечный разрез анодной камеры плазменного источника ионов, показанного на фиг.1 (разрез А-А),figure 2 schematically shows a cross section of the anode chamber of the plasma ion source shown in figure 1 (section aa),
на фиг.3 изображена схема электропитания плазменного источника ионов,figure 3 shows the power supply circuit of a plasma ion source,
на фиг.4 изображен график изменения величины индукции магнитного поля вfigure 4 shows a graph of the magnitude of the induction of the magnetic field in
относительных единицах Bz/Bmax вдоль продольной оси симметрии Z катодной и анодной камер.relative units B z / B max along the longitudinal axis of symmetry Z of the cathode and anode chambers.
В состав плазменного источника ионов, изображенного на фиг.1 и 2, входит катодная камера 1 с патрубком 2 ввода газа, который выполняет также функцию электрода инициации разряда, и полый анод 3, образующий анодную камеру 4. Между катодной и анодной камерами 1 и 4 установлен дополнительный электрод 5, электроизолированный от катодной камеры 1 с помощью кольцевого изолятора 6 и электрически соединенный с заземленным корпусом 7 анодной камеры 4. Полый анод 3 электроизолирован от корпуса 7 с помощью трех изоляторов 8, равномерно установленных по окружности между полым анодом 3 и корпусом 7 (см. фиг.2).The composition of the plasma ion source shown in figures 1 and 2 includes a
В дополнительном электроде 5 выполнено пять отверстий 9 диаметром d=0,5 мм в соответствии с условием 0,1 мм<d<1 мм. Одно из отверстий 9 расположено соосно выходному отверстию катодной камеры 1 и входному отверстию анодной камеры 4, а четыре других отверстия равномерно расположены по окружности вокруг осевого отверстия (см фиг.2). Все отверстия 9 расположены на равном расстоянии l=5 мм друг от друга. В данном случае выполняется условие l>2d. Суммарная площадь поперечных сечений отверстий 9 в дополнительном электроде 5 составляет 2,4 мм2 в соответствии с условием 0,03 мм2<SΣ<3 мм2. Отверстия 9 образованы в выступах, выполненных на поверхности дополнительного электрода 5. Выступы обращены в сторону полости катодной камеры 1 и имеют форму усеченного конуса в области отверстий 9.In the
Катодная камера 1 и полый анод 3 выполнены в виде полых стальных цилиндров и имеют внутренний диаметр 50 мм. Катодная камера 1 выполнена с возможностью принудительного охлаждения. Для этого она снабжена трубками 10, образующими внешнюю стенку катодной камеры 1, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Трубки 10 изготовлены из жаропрочной нержавеющей стали и электроизолированы от других элементов конструкции источника ионов.The
Анодная и катодная камеры сообщены между собой через выходное отверстие катодной камеры 1, выполненное в ее торцевой стенке, отверстия 9, образованные в дополнительном электроде 5, и входное эмиссионное отверстие анодной камеры 4, образованное в ее торцевой стенке. На выходном эмиссионном отверстии анодной камеры 4 установлена электростатическая система извлечения ионов. Эмиссионный электрод 11 непосредственно расположен в выходном отверстии анодной камеры 4. За эмиссионным электродом 11 последовательно установлены ускоряющий электрод 12 и выходной замедляющий электрод 13, который заземлен. Все электроды электростатической системы изолированы друг от друга с помощью изоляторов 14.The anode and cathode chambers are interconnected through an outlet of the
Плазменный источник ионов содержит также магнитную систему, обеспечивающую создание в анодной и катодной камерах магнитного поля с преимущественно осевым направлением вектора магнитной индукции. В качестве источника магнитодвижущей силы магнитной системы используется электромагнитная катушка 15 кольцеобразной формы, установленная коаксиально дополнительному электроду 5. С помощью электромагнитной катушки 15 в отверстиях 9 дополнительного электрода 5 создается магнитное поле с величиной индукции поля В=8 мТл.The plasma ion source also contains a magnetic system that ensures the creation of a magnetic field in the anode and cathode chambers with a predominantly axial direction of the magnetic induction vector. A ring-shaped
Электромагнитная катушка 15 выполнена таким образом, чтобы величина индукции магнитного поля В уменьшалась в осевом направлении от дополнительного электрода 5 к эмиссионному электроду 11 и от дополнительного электрода 5 к торцевой стенке катодной камеры 1, противоположной по отношению к выходному отверстию камеры. Величина индукции магнитного поля уменьшается в указанных направлениях от значения Bmax=В=8 мТл до 0,4 В=3,2 мТл. В других вариантах реализации изобретения в качестве источника магнитодвижущей силы может применяться сборка постоянных магнитов, которые обеспечивают создание магнитного поля в полостях катодной и анодной камер с указанными выше параметрами. В различных вариантах реализации изобретения величина индукции магнитного поля в области отверстий дополнительного электрода может варьироваться в диапазоне от 2 до 15 мТл.The
Элементы конструкции плазменного источника ионов крепятся на технологическом установочном фланце 16. Корпус катодной камеры 1 электроизолирован от установочного фланца 16 с помощью четырех стержневых изоляторов 17, расположенных по периметру фланца 16 (см. фиг.1 и 2). Патрубок 2 ввода газа, выполняющий функцию электрода инициации разряда, электроизолирован от катодной камеры 1 и от установочного фланца 16 с помощью изоляторов 18 и 19 соответственно.The structural elements of the plasma ion source are mounted on the
Установочный фланец 16 предназначен для крепления плазменного источника ионов в вакуумной камере и обеспечивает герметичность разъема между камерой и источником ионов. Во фланце 16 выполнены герметичные электроизолированные разъемы 20 электрических вводов 21 системы электропитания источника ионов и герметичные электроизолированные разъемы 22 трубок 10, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.The mounting
Система электропитания плазменного источника ионов состоит из источника разрядного напряжения (ИРН) 23, источника ускоряющего напряжения (ИУН) 24 электростатической системы извлечения ионов и источника постоянного тока (ИПТ) 25, питающего электромагнитную катушку 15. Схема подключения системы электропитания к элементам конструкции источника ионов изображена на фиг.3.The power supply system of a plasma ion source consists of a discharge voltage source (IRN) 23, an accelerating voltage source (ION) 24 of an electrostatic ion extraction system and a direct current source (IPT) 25 supplying an
Стенки катодной камеры 1 подключены к отрицательному полюсу источника разрядного напряжения 23, положительный полюс которого соединен с патрубком 2 ввода газа. Катодная 1 и анодная 4 камеры электроизолированы друг от друга с помощью изолятора 6 (см. фиг.1). Полый анод 3 электроизолирован от стенок корпуса анодной камеры с помощью трех изоляторов 8 (см. фиг.2) и подключен к положительному полюсу источника разрядного напряжения 23 и к положительному полюсу источника ускоряющего напряжения 24. Электроизолированный от катодной камеры дополнительный электрод 5 электрически соединен с заземленным корпусом 7 анодной камеры 4. Эмиссионный электрод 11 электростатической системы извлечения ионов электроизолирован с помощью изоляторов 14 от остальных электродов системы и находится под плавающим потенциалом плазмы. Ускоряющий электрод 12 подключен к отрицательному полюсу источника ускоряющего напряжения 24, положительный полюс которого подключен к полому аноду 3. Замедляющий электрод 13 электростатической системы извлечения ионов заземлен. Выводы электромагнитной катушки 15 подключены к клеммам источника постоянного тока 25.The walls of the
Работа плазменного источника ионов, конструкция и схема электропитания которого изображены на фиг.1-3, осуществляется следующим образом.The operation of the plasma ion source, the design and power supply circuit of which is shown in figures 1-3, is as follows.
Источник ионов устанавливается на установочном фланце 16 в полости вакуумной камеры. Электропитание электродов и магнитной системы источника ионов осуществляется через электрические вводы 21, установленные в герметичных разъемах 20 установочного фланца 16. Система принудительного охлаждения стенок катодной камеры 1 подсоединяется к трубкам 10, через которые осуществляется циркуляция жидкости. Трубки 10 герметично устанавливаются в установочном фланце 16 с помощью электроизолированных разъемов 22.The ion source is mounted on the mounting
Рабочий плазмообразующий газ, в качестве которого используется аргон, подается в катодную камеру 1 через патрубок 2 ввода газа. При включении источника постоянного тока 25 через электромагнитную катушку начинает протекать электрический ток, создавая в полостях катодной и анодной камер 1 и 4 магнитное поле заданной конфигурации с преимущественно осевым направлением вектора магнитной индукции. Согласно графику изменения величины индукции магнитного поля в относительных единицах Bz/Bmax вдоль продольной оси симметрии Z катодной и анодной камер (см. фиг.4) величина осевой составляющей индукции магнитного поля Bz плавно увеличивается от значения 0,4 Bmax=3,2 мТл, у торцевой станки катодной камеры 1 (Z=2 см), до максимального значения Bmax=8 мТл, в области расположения отверстий 9 в дополнительном электроде 5 (Z=7 см), а затем также плавно снижается до значения 0,4 Bmax=3,2 мТл, у выходного эмиссионного отверстия анодной камеры 4 (Z=12 см). На представленном графике зависимости Bz/Bmax(Z) величина осевого расстояния Z отсчитывается от поверхности установочного фланца 16 со стороны вакуумной камеры в направлении к эмиссионному электроду 11 электростатической системы извлечения ионов.The working plasma-forming gas, which is used as argon, is supplied to the
Инициация электрического разряда осуществляется путем подачи напряжения от источника разрядного напряжения 23 на стенки катодной камеры 1 и патрубок 2 ввода газа, изолированный от катодной камеры 1. К патрубку 2 прикладывается напряжение положительной полярности, а к стенкам катодной камеры 1 - напряжение отрицательной полярности от соответствующих полюсов источника разрядного напряжения 23. Одновременно между стенками катодной камеры 1 и полым анодом 3 прикладывается разрядное напряжение за счет подключения полого анода 3 к положительному полюсу источника разрядного напряжения 23.Electric discharge is initiated by supplying voltage from a
Прикладываемое к патрубку 2 напряжение инициации разряда может регулироваться до установления значения, при котором происходит электрический пробой разрядного промежутка и зажигание разряда в катодной камере 1. Зажигание основного разряда между катодной и анодной камерами осуществляется под действием приложенной разности потенциалов, величина которой составляет 350 В, за счет извлечения электронов из катодной камеры 1 в анодную камеру 4 через отверстия 9 дополнительного электрода 5.The discharge initiation voltage applied to the
Зажигание основного разряда между катодной и анодной камерами сопровождается протеканием разрядного тока в электрической цепи и последующим снижением разрядного напряжения до 300 В. Прикладываемое разрядное напряжение может регулироваться с помощью управляемого резистора, включенного в электрическую цепь питания (на фиг.3 не показан). После зажигания основного разряда дополнительный электрод 9, который электроизолирован от стенок катодной камеры 1 и подключен к заземленному корпусу 7 анодной камеры, находится под плавающим потенциалом плазмы, заполняющей полость анодной камеры 4.Ignition of the main discharge between the cathode and anode chambers is accompanied by the flow of discharge current in the electric circuit and the subsequent decrease in the discharge voltage to 300 V. The applied discharge voltage can be regulated using a controlled resistor included in the electric supply circuit (not shown in Fig. 3). After ignition of the main discharge, an
За счет создания магнитного поля заданной конфигурации согласно зависимости Bz/Bmax(Z), изображенной на фиг.4, с величиной индукции магнитного поля Bmax=8 мТл в полости катодной камеры 1 осуществляется осцилляция электронов, сопровождающаяся эффективной ионизацией рабочего газа. Электроны, находящиеся в катодной камере, направляются в анодную камеру 4 через отверстия 9 дополнительного электрода 5 под действием приложенной между катодной и анодной камерами разности потенциалов с минимальными потерями на стенках камер. Сформированное в анодной камере 4 магнитное поле заданной конфигурации обеспечивает условия для равномерного распределения концентрации заряженных частиц у выходного эмиссионного отверстия. Вследствие этого извлекаемый ионный пучок обладает высокой однородностью плотности ионного тока по сечению пучка.By creating a magnetic field of a given configuration according to the dependence B z / B max (Z) shown in Fig. 4, with the magnitude of the magnetic field induction B max = 8 mT, electron oscillation is carried out in the cavity of the
Извлечение ионов из анодной камеры 4 осуществляется при подаче напряжения на ускоряющий электрод 12 электростатической системы извлечения ионов от источника ускоряющего напряжения 24. Извлечение и формирование пучка ионов в рассматриваемом примере реализации изобретения осуществляется с помощью трехэлектродной электростатической системы извлечения ионов, реализующей принцип «ускорение-замедление». Между генерируемой в анодной камере 4 газоразрядной плазмой, потенциал которой задается потенциалом полого анода 3, эмиссионным электродом 11, находящимся под плавающим потенциалом плазмы, ускоряющим электродом 12, на который подается напряжение отрицательной полярности от источника ускоряющего напряжения 24, и заземленным замедляющим электродом 13 создается заданное пространственное распределение электростатического потенциала. Под действием электростатического поля происходит извлечение ионов из анодной камеры 4 и формирование ионного пучка с требуемой плотностью ионного тока и заданным поперечным сечением.The extraction of ions from the
Температурный режим катодной камеры 1, которая является наиболее термонапряженным элементом конструкции источника ионов, поддерживается с помощью системы принудительного охлаждения. Охлаждение стенок катодной камеры 1 производится за счет принудительной циркуляции охлаждающей жидкости по трубкам 10, охватывающим корпус камеры (см. фиг.1).The temperature regime of the
Ток извлекаемого ионного пучка стабилизируется по величине в течение 5 минут. При изменении разрядного напряжения в диапазоне от 300 до 600 В разрядный ток между камерами соответственно изменяется в диапазоне от 100 до 1500 мА. Величина извлекаемого ионного тока при этом достигает 150 мА.The current of the extracted ion beam is stabilized in magnitude over 5 minutes. When the discharge voltage changes in the range from 300 to 600 V, the discharge current between the cameras accordingly changes in the range from 100 to 1500 mA. The value of the extracted ion current in this case reaches 150 mA.
Важным условием для обеспечения требуемой однородности плотности тока по сечению широкоапертурного ионного пучка, наряду с определенными параметрами магнитного поля, является выбор диаметра d отверстий 9 в дополнительном электроде 5 согласно условию 0,1 мм<d<1 мм. Данное условие характеризует, с одной стороны, возможность свободного извлечения электронов из катодной камеры 1 в анодную камеру 4 через отверстия 9 при d>0,1 мм. Выбор размера отверстий 9 более радиуса Дебая, который для рассматриваемого типа устройств составляет не более 0,1 мм, характеризует условие, при котором рабочее вещество в канале отверстия находится в плазменном состоянии. В этом случае при прохождении потока электроном через отверстия 9 исключается возможность возникновения пространственного заряда электронов, который может повлиять на распределение потенциала в анодной камере 4.An important condition for ensuring the required uniformity of current density over the cross section of a wide-aperture ion beam, along with certain parameters of the magnetic field, is the choice of the diameter d of the
С дугой стороны, при ограничении максимальной величины размера отверстий 9 в соответствии с условием d<1 мм исключается влияние катодного потенциала на пространственный потенциал в анодной камере 4 и, следовательно, на распределение концентрации заряженных частиц в полости анодной камеры 4.On the other hand, when limiting the maximum size of the
В случае выполнения нескольких отверстий в дополнительном электроде суммарная площадь SΣ поперечных сечений отверстий 9 в дополнительном электроде 5 выбирается из условия 0,03 мм2<SΣ<3 мм2. При выполнении данного условия повышается однородность плотности извлекаемого ионного тока по сечению пучка, а также исключается влияние разрядного напряжения на энергию ионов, извлекаемых из анодной камеры.If several holes are made in the additional electrode, the total cross-sectional area S Σ of the
В рассматриваемом примере осуществления изобретения диаметр каждого из пяти отверстий 9 в дополнительном электроде 5 равен 0,5 мм (SΣ=2,4 мм2) при расстоянии между близлежащими отверстиями l=5 мм (l>2d).In this example embodiment, the diameter of each of the five
При изменении разрядного напряжения в диапазоне от 300 до 600 В плотность ионного тока, генерируемого плазменным источником ионов, соответственно изменялась в диапазоне значений от 0,2 до 6 мА/см2. Неоднородность плотности ионного тока по сечению пучка диаметром 50 мм не превышала 5%. Измерение проводилось на мишени, расположенной на расстоянии 200 мм от замедляющего электрода 13 электростатической системы извлечения ионов.When changing the discharge voltage in the range from 300 to 600 V, the density of the ion current generated by the plasma ion source, respectively, changed in the range of values from 0.2 to 6 mA / cm 2 . The inhomogeneity of the ion current density over the beam cross section with a diameter of 50 mm did not exceed 5%. The measurement was carried out on a target located at a distance of 200 mm from the retarding
Максимальная величина извлекаемого ионного тока составила 150 мА при требуемой однородности плотности ионного тока по сечению пучка. Измеренное значение ионного тока соответствует диаметру выходного эмиссионного отверстия анодной камеры DЭ=50 мм.The maximum value of the extracted ion current was 150 mA with the required uniformity of the ion current density over the beam cross section. The measured value of the ion current corresponds to the diameter of the output emission hole of the anode chamber D E = 50 mm
В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что при отклонении магнитного поля в катодной и анодной камерах от заданной конфигурации и значений индукции магнитного поля в отверстиях дополнительного электрода от заданного диапазона значений происходит существенное снижение однородности плотности извлекаемого ионного тока по сечению пучка. Аналогичный эффект наблюдается при увеличении или уменьшении диаметра d отверстий 9, выполненных в дополнительном электроде 5, по отношению к установленному диапазону значений d: 0,1 мм<d<1 мм. Данные эффекты проявляются при значениях извлекаемого ионного тока более 100 мА.As a result of experimental studies, it was found that when the magnetic field in the cathode and anode chambers deviates from a given configuration and magnetic field induction values in the holes of an additional electrode from a given range of values, a significant decrease in the density uniformity of the extracted ion current over the beam cross section occurs. A similar effect is observed when increasing or decreasing the diameter d of the
В описанном выше предпочтительном примере выполнения изобретения в качестве источника магнитодвижущей силы используется кольцеобразная электромагнитная катушка, однако данный вариант выполнения изобретения не ограничивает применение других типов источников магнитодвижущей силы. Так, например, магнитная система вместо электромагнитной катушки может содержать сборку постоянных магнитов, обеспечивающих создание заданного распределения магнитного поля в анодной и катодной камерах с требуемой величиной индукции поля в отверстиях дополнительного электрода.In the preferred embodiment described above, an annular electromagnetic coil is used as a source of magnetomotive force, however, this embodiment of the invention does not limit the use of other types of magnetomotive force sources. So, for example, a magnetic system instead of an electromagnetic coil may contain an assembly of permanent magnets, providing the creation of a given distribution of the magnetic field in the anode and cathode chambers with the required field induction in the holes of the additional electrode.
Кроме того, изобретение может быть осуществлено при использовании одного осевого отверстия, выполненного в дополнительном электроде. Вместе с тем дополнительный электрод может быть выполнен без выступов, обращенных в сторону полости катодной камеры. Возможны варианты выполнения конструкции источника ионов, в которых дополнительный электрод электроизолируется не только от катодной камеры, но и от корпуса анодной камеры. В качестве рабочего газа, наряду с инертными газами, могут использоваться и химически активные газы, например кислород.In addition, the invention can be carried out using a single axial hole made in the additional electrode. However, the additional electrode can be performed without protrusions facing the cavity of the cathode chamber. Embodiments of an ion source design are possible in which an additional electrode is electrically insulated not only from the cathode chamber, but also from the anode chamber body. As a working gas, along with inert gases, chemically active gases, such as oxygen, can also be used.
Как показали проведенные экспериментальные исследования, при использовании перечисленных выше вариантов реализации изобретения также обеспечивается достижение технического результата, связанного с увеличением тока широкоапертурного ионного пучка свыше 100 мА при требуемой однородности плотности тока по сечению извлекаемого пучка.As shown by experimental studies, using the above embodiments of the invention, it is also possible to achieve a technical result associated with an increase in the current of a wide-aperture ion beam above 100 mA with the required uniformity of current density over the cross section of the extracted beam.
Возможность достижения нового технического результата позволяет применять плазменный источник ионов в составе ионно-лучевых технологических установок с интенсивными широкоапертурными ионными пучками. Генерируемые с помощью плазменного источника ионов однородные ионные пучки большого диаметра могут применяться в различных технологических процессах, в том числе для обработки полупроводниковых материалов.The possibility of achieving a new technical result makes it possible to use a plasma ion source as a part of ion-beam technological installations with intense wide-aperture ion beams. Homogeneous large-diameter ion beams generated using a plasma ion source can be used in various technological processes, including the processing of semiconductor materials.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008126158/28A RU2371803C1 (en) | 2008-06-27 | 2008-06-27 | Plasma ion source |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008126158/28A RU2371803C1 (en) | 2008-06-27 | 2008-06-27 | Plasma ion source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2371803C1 true RU2371803C1 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41353268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008126158/28A RU2371803C1 (en) | 2008-06-27 | 2008-06-27 | Plasma ion source |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2371803C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2749668C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-06-16 | Общество с ограниченной ответственностью «ПЛАЗТРЕК» (ООО «ПЛАЗТРЕК») | Ion source |
-
2008
- 2008-06-27 RU RU2008126158/28A patent/RU2371803C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2749668C1 (en) * | 2020-12-22 | 2021-06-16 | Общество с ограниченной ответственностью «ПЛАЗТРЕК» (ООО «ПЛАЗТРЕК») | Ion source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6803585B2 (en) | Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter | |
| US7624566B1 (en) | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
| TWI467615B (en) | Ion source and method of adjusting the uniformity of ion beam | |
| CN109786205B (en) | Electron cyclotron resonance ion source | |
| US4122347A (en) | Ion source | |
| US6246059B1 (en) | Ion-beam source with virtual anode | |
| JP2015145650A (en) | Electric propulsion system | |
| JPH04264346A (en) | Plasma source apparatus for injecting ions | |
| CN112628098A (en) | Hall accelerator with sinking type hollow inner magnetic pole structure | |
| RU2208871C1 (en) | Plasma electron source | |
| RU2167466C1 (en) | Plasma ion source and its operating process | |
| US7947965B2 (en) | Ion source for generating negatively charged ions | |
| RU2371803C1 (en) | Plasma ion source | |
| RU87065U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VOLUME TECHNOLOGICAL VACUUM CAMERAS | |
| Leung et al. | Development of an advanced ‘‘volume’’H− source for neutral beam application | |
| TW201941240A (en) | Plasma bridge neutralizer for ion beam etching | |
| RU116733U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A HOMOGENEOUS DISTRIBUTED GAS DISCHARGE PLASMA IN LARGE VACUUM VOLUMES OF TECHNOLOGICAL INSTALLATIONS | |
| WO2011037488A1 (en) | Plasma ion source | |
| RU159300U1 (en) | ELECTRONIC SOURCE WITH PLASMA EMITTER | |
| RU2035789C1 (en) | Process of generation of beam of accelerated particles in technological vacuum chamber | |
| RU158216U1 (en) | SOURCE OF FAST NEUTRAL PARTICLES | |
| JPH0752635B2 (en) | Ion source device | |
| RU2792344C1 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
| RU2792344C9 (en) | Gas-discharge electron gun controlled by an ion source with closed electron drift | |
| RU2789534C1 (en) | High-frequency plasma source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110628 |