SU1294189A1 - Ионный источник - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к устройствам дл  получени  интенсивных пучков ионов-металлов, сплавов и других . электропровод щих материалов, включа  тугоплавкие. Цель - увеличение предельного тока ионов металлов. Ионный источник (ИИ) содержи.т катод 1, анод 2, посто нный магнит (М) 3, мишень 5, экстрактор 7, ускор ющий электрод (Э) 8, Введение в ИИ дополнительного М 4 в виде усеченного конуса , полюсами которого  вл ютс  его торцовые поверхности, и дополнительного Э 6, поверхность которого параллельна боковой конусной поверхности М 4, .а также размещение на боковой поверхности М 4 мишени 5, а напротив нее - Э 5 с зазором, размеры которого определены из условий электрической прочности, позвол ет увеличить ток ионов распьш емой мишени до 90% от общего тока. ИИ может быть использо- ван дл - ионной имплантации дл  осаждени  пленок заданного материала в вакууме. 1 ил. с S (Л с ю со 4U г; QD

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  получени  интенсивных пучт ков ионов металлов, сплавов и других электропровод щих материалов включа  тугоплавкие материалы, и может быть использовано дл  ионной имплантации и дл  осаждени  пленок заданного ма- териалал в вакууме.

Целью изобретени   вл етс  увеличение предельного тока ионов металло в ионном источнике за счет увеличени процентного содержани  ионов металла в общем числе известных ионов.

На чертеже представлена конструк ,

ци  данного устройства, где катод i, анод 2, посто нньй магнит 3, дополни тельный магнит 4, мишень 5, дополнительный электрод 6, экстрактор 7, ускор ющий злектрод 8.

Катод 1 и анод 2 выполнены из ненемагнитного материала и установлены коаксиально между полюсными наконечниками постр нного магнита 3. Катод и экст рактор 7 представл ют собой системы двух коаксиальных колец равного диаметра, установленных таким , образом, что между их торцовыми по- .вер хност ми имеетс  щелевой зазор. Геометрические центры щелевых зазоров катода 1 и экстрактора 7 наход тс  в полости, проход щей через середину анода 2. По оси напротив щелевых отверстий в катоде 1 и экстракторе 7 установлен дополнительный посто нный магнит 4 - в виде усеченного конуса, полюсами которого  вл ют- с  его торцовые поверхности. На боковой конусной поверхности дополнительного магнита размещена распыл ема  мишень 5, выполненна -из материала, ионы которого необходимо ускор ть. Конусообразный допЬлнительный магнит 4 намагничен в соответствии с полюсами основного посто нного магнита 3. На экстракторе 7 напротив мишени 5 установлен дополнительный электрод 6, поверхность которого параллельна боковой конусной поверхности дополнительного магнита 4. Между поверхностью дополнительного электрода и ми- ше нью имеетс  зазор. Соосно с системой расположен цилиндрический уско- . р ющий электрод 8 Кишень 5 и ускор ющий электрод цилиндрическими 8 наход тс  под отрицательным потенциалом по отношению к экстрактору.

Устройство работает следующим образом . По трубчатому вводу через анод

20

25

5

О

1C

-

2 в откаченную до давлени  Р « 10 тор разр дную полость, образованную катодом 1, анодом 2 и полюсами посто нного магнита 3, поступает газ. При подаче на анод 2 положительного потенциала между катодом 1 и анодом 2 возникает тлеющий разр д в магнитном поле . Ионы из плазмы разр да под действием отрицательного потенциала экстрактора 7 выт гиваютс  через щелевое отверстие в катоде 1. Ускоренные до энергии, соответствующей раз.ности потенциалов между катодом 1 и экстрактором 7, ионы, проход  щелевое отверстие в экстракторе 7, попадают на поверхность мишени 5. Проход  зазор между экстрактором 7 и мишенью 5, ионы подвергаютс  дополнительному ускорению за счет разности потенциат лов мишени 5, и экстрактора 7. Попада  на поверхность мишени 5, ускоренные ионы выбивают вторичные ионы металла к нейтральные атомы вещества. Коэффициент вторичной ионной эмиссии и коэффициент распылени  вещества мишени зависит от сорта бомбардирующих поверхность мишени 5 ионов газа, их энергии и может измен тьс  в широких пределах. Дл  увеличени  коэффи- 30 циента вторичной ионной эмиссии и коэффициента распылени  материала целесообразно использовать ионы газа- с .большей массой, таких, например, как азот, аргон, криптон, ксенон и др. 35 Энерги  ионов, обеспечивающа  максимальную величину вторичной эмиссии ионов и распьшени  материала мишечи 5, лежит в приделах от 1 кэВ до 10 кэВ. Угол выхода вторичных ионов металла из мишени существенно зависит от угла падени  первичного иона. При косом падении первичных ионов на мишень максимум углового распределени  ионов лежит в пределах 60 +

Эта

величина зависит как от соотношени  масс падающего и вторичного ионов, так и от зар дности вторичных ионов. Величина угла конуса дополнительного магнита 4, мишени 5, дополнительного электрода 6 в зависимости от величины зазора между мишенью 5 и дополнительным электродом 6 выбираетс  таким образом, чтобы вторичные ионы, 5 выбитые из мишени, распростран лись в направлении дополнительного ускор ющего электрода 8, не попада  на поверхность дополнительного электрода 6.

40

45

вторичных

о

+ 120 относительно угла падени .

0

Таким образом, при попадании на поверхность мишени 5 первичного ионного пучка в зазоре, образованном дополнительным электродом 6 и мишенью 5, по вл ютс  как отраженные от мише-5 ни 5 первичные ионы, так и вторичные ионы мишени 5 и электроны, а также большое количество нейтральных атомов материала мишени. Дополнительный магнит 4 в виде усеченного кону- са, пол рность полюсов которого совпадает с пол рностью полюсов основного магнита, обеспечивает наличие в зазоре между мишенью 5 .и дополнительным электродом 6 магнитное поле, па- паллельное поверхности мишени 5 и дополнительного электрода 6. Эheктpи- ческое поле, перпендикул рное магнитному , обеспечиваетс  разностью потенциалов параллельно расположенных по- верхностей мишени 5 и дополнительного электрода 6. В скрещенных электрическом и магнитном пол х при опредеделенных услови х зажигаетс  допол

нительный разр д. Магнитное поле дополнительного магнита А практически не вли ет на траекторий движени  ионов . С другой стороны оно преп тствует быстрому попаданию электронов на дополнительный электрод 6 и тем самым обеспечивает существенное увеличение их времени жизки и соответственно высокую степень ионизации вещества в зазоре ..

Дл  увеличени  эффективности иони- зации величина магнитного пол  в зазоре , размер зазора и напр женность электрического пол  выбираютс  таким образом, чтобы ларморовский радиус ускоренного в зазоре электрона был значительно меньше рассто ни  между поверхностью мишени 5 и дополнительного электрода 6. Ионы газа или материалы мишени, образующиес  в зазоре в процессе ионизации, ускор ютс  элек трическим полем, существующим между мишенью 5 и дополнительным электродом 6, и производ т дополнительное распыление материала мишени и увеличивают выход вторичных ионов металла. Таким оразом, допрлнительньй разр д обеспечивает не только повышение степени ионизации распыленного вещества мишени, но и увеличение концентрации плазмы, образованной из материала ве- щества мишени 5 за счет дополнительного распылени .

Из сформированной таким образом плазмы с помощью ускор ющего электро

5

0

5 0 5 0 5

да 8, наход щегос  под отрицательным по отношению к мишени 5 и дополнительному электроду 6 потенциалом, извлекаетс  и ускор етс  ионный пучок. Ускор ющий электрод 8 относительно мишени 5 и.дополнительного электрода 6 расположен на рассто нии, обеспечивающем электрическую прочность промежутка .

Пример конкретного выполнени  предлагаемого источника ионов. Катод 1 и анод 2 выполнены из немагнитного материала , например из нержавеющ1 й стали , йосто нный.магнит обеспечивает в анод-катодном зазоре магнитное поле величиной 200-500 Э. На анод подаетс  положительный относительно катода потенциал амплитудой 300-800 В. При напуске газа, например аргона или азота , в системе зажигаетс  разр д с током 100-1.500 мА. На экстрактор 7 и дополнительный электрод 6 подаетс  отрицательный по отношению к катоду потенциал 5 кВ. При этом величина извлекаемого из разр да ионного тока составл ет 10-50 мА, Дополнительный магнит в виде усеченного конуса с углом при вершине пор дка 60-120 выполнен , например, на основе самарий- кобальтового сплава, создает в зазоре магнитное поле напр женностью 100- 1000 Э. Между мишенью 5, выполненной, например, из вольфрама, и дополнительным , электродом 6 обеспечиваетс  разность потенциалов 40-1000 В при зазоре 4-12 мм. Величина тока допол- нительн.ого разр да в зависимости от величины магнитного и электрического полей, а также величины зазора и материала мишени может измен тьс  от 20 до 150 мА. При подаче, на ускор ющий электрод отрицательного потенциала величиной 10-70 кВ ток ускоренного ионного пучка составл ет 10-60 мА.

Claims (1)

1. Таким образом, в предлагаемом источнике ионов сохран етс  возможность ускорени  больших по величине ионных токов от нескольких миллиампер до нескольких дес тков миллиампер. С другой стороны, по сравнению с прототипом источник обеспечивает услови  увеличени  тока ионов распыл емой мишени до 90% от общего тока. При этом мишень может быть выполнена из металла или сплава, в том числе и тугоплавкого . Формула изобретени 

   Ионньи источник, содержащий кольцевые катод и анод, выполненные из

   . 51

   нe faгнитнoгo материала и коаксиально установленные между полюсными наконечниками посто нного магнита и цилиндрический экстрактор, а также источники напр жени  катода и анода, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  предельного тока ионов металла, в катоде и экстракторе выполнены кольцевые щелевые отвер

   сти , напротив которых внутри экстрактора установлен соосно дополнительный посто нный магнит в виде усеченного конуса, полюсами которого служат его торцовые поверхности, на боковой поверхности дополнительного

   магнит.а размещена раЬпьш ема  мишень, на экстракторе напротив мишени установлен дополнительный электрод, внутренн   поверхность которого параллельна конусной поверхности дополнительного магнита, при этом между мишенью и боковой поверхностью дополнительного электрода имеетс  эазор, размеры которого определены из условий электрической прочности, дополнительный магнит подключен к источнику напр жени , отрицательного по отношению к экстрактору, а пол рность полюсов основного и дополнител1&ног(} магнитов совпадает.

   Редактор Е.Зубиетова

   Составитель А.Нестерович

   Техред И.Попович; Корректор Г.Решетник

   Заказ 992Тираж 400 - Подписное

   ВНИИГШ Государственного комитета СССР

   по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб,, д. 4/5

   Производственно-полиграфическое предпри тие, г.Ужгород, ул.Проектна , 4