Ионный источник

"3 ГЕА ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ ЕНИЯ, г,п.я . З.,:31,В 1 (54 (57 эл ча ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при томском политехническом институте им.С.М.Кирова (72) Л.Г.Косицын, А.И.Рябчиков и В,В.Солдатенко) Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных пучков ионов металлов, сплавов и других .ектропроводящих материалов, вклюя тугоплавкие. Цель " увеличение предельного тока ионов металлов. Ион,.ЯО 1294189 ный источник (ИИ) содержит катод 1, анод 2, постоянный магнит (М) 3, мишень 5, экстрактор 7, ускоряющий электрод (Э) 8, Введение в ИИ дополнительного М 4 в виде усеченного конуса, полюсами которого являются его торцовые поверхности, и дополнительного Э 6поверхность 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, позволяет увеличить ток ионов распыпяемой мишени до 903 от общего тока. ИИ может быть использо-э. с ван для ионной имплантации для осаждения пленок заданного материала в вакууме. 1 ил.1294 189 2Изобретение относится к устрой в откаченную до давления Р10 торствам для получения интенсивных пуч-. разрядную полость, образованную катоков ионов металлов, сплавов и других дом 1, анодом 2 и полюсами постоянноэлектропроводящих материалов, включая го магнита 3, поступает гаэ. При потугоплавкие материалы, и может быть 5 даче на анод 2 положительного потениспользовано для ионной имплантации цнала между катодом 1 и анодом 2 вози для осаждения пленок заданного ма- никает тлеющий разряд в магнитном потериала в вакууме,ле. Ионы из плазмы разряда под дейЦелью изобретения является увели- ствием отрицательного потенциала эксчение предельного тока ионов металлов Ю трактора 7 вытягиваются через щелевоев ионном источнике за счет увеличения отверстие в катоде 1Ускоренные допроцентного содержания ионов металла энергии, соответствующей разностив общем числе известных ионов; потенциалов между катодом 1 и эксНа чертеже представлена конструк- трактором 7, ионы, проходя щелевоеция данного устройства, где катод 1, 15 отверстие в экстракторе 7, попадаютанод 2, постоянный магнит 3, дополни- на поверхность мишени 5. Проходя эательный магнит 4, мишень 5, дополни" зор между экстрактором 7 и мишеньютельный электрод 6, экстрактор 7, ус, ионы подвергаются дополнительномукоряющий электрод 8, ускорению за счет разности потенциа-.Катод 1 и анод 2 выполнены из не лов мишени 5, и экстрактора 7. Попа"немагнитного материала и установлены дая на поверхность мишени 5, ускоренкоаксиально между полюсными наконеч- ные ионы выбивают вторичные ионы мениками постоянного магнита 3. Катод талла и нейтральные атомы вещества. и экстрактор 7 представляют собой Коэффициент вторичной ионной эмиссии системы двух коаксиальных колец рав- и коэффициент распыления вещества .ного диаметра, установленных таким мишени зависит от сорта бомбардирую" , образом, что между их торцовыми по- щих поверхность мишени 5 ионов газа, .верхностями имеется щелевой зазор, их энергии и может изменяться в широ" Геометрические центры щелевых зазо- ких пределах. Для увеличения коэффиров катода 1 и экстрактора 7 находят циента вторичной ионной эмиссии и ко 1ся в полости, проходящей через сере- эффициента распыления материала целе- дину анода 2, По оси системы напротив сообразно использовать ионы газа с щелевых отверстий в катоде 1 и экс- . большей массой, таких, например, как тракторе 7 установлен дополнительный . азот, аргон, криптон, ксенон и др. постоянный магнит 4.в виде усеченно Энергия ионов, обеспечивающая максиго конуса, полюсами которого являют- мальную величину вторичной эмиссии ся его торцовые поверхности. На боко" ионов н распыления материала мишени вой конусной поверхности дополнитель, лежит в приделах от 1 кэВ до ного магнита размещена распыляемая 10 кэВ. Угол выхода вторичных ионов мишень 5; выполненная из материала, "0 металла из мишени существенно зависит ионы которого необходимо ускорять, от угла падения первичного иона, При Конусообразный допЬлнительный магнит косом падении первичных ионов на ми" 4 намагничен в соответствии с полю- шень максимум углового распределения сами основного постоянного магнита 3. .вторичных ионов лежит в пределах 60 +оНа экстракторе 7 напротив мишени 5 15 + 120 относительно угла падения. Эта установлен дополнительный электрод величина зависит как от соотношения 6, поверхность которого параллельна масс падающего и вторичного ионов, боковой конусной поверхности дополни- так и от зарядности вторичных ионов. тельного магнита 4. Между поверхнос-Величина угла конуса дополнительного тью дополнительного электрода и ми- э 0 магнита 4, мишени 5, дополнительного шенью имеется зазор. Соосно с систе- . электрода 6 в зависимости от величимой расположен цилиндрический уско" ны зазора между мишенью 5 и дополниряющийэлектрод 8. Мишень 5 и ускоря- тельным электродом 6 выбирается тающий электрод цилиндрическ й 8 нахо" ким образом, чтобы вторичные ионы, дятся под отрицательным потенциалом 55 выбитые из мишени, распространялись по отношению к экстрактору. в направлении дополнительного ускоряУстройство работает следующим об- ющего электрода 8, не попадая на по- разом. По трубчатому вводу .через анод верхность дополнительного электрода 6,анод-катодном зазоре магнитное полевеличиной 200-500 Э. На анод подаетсяположительный относительно катода потенциал амплитудой 300-800 В. При напуске газа, например аргона или азота, в системе зажигается разряд с током 100-1500 мА. На экстрактор 7 идополнительный электрод 6 подаетсяотрицательный по отношению к катодупотенциал " 5 кВ. При этом величинаизвлекаемого из разряда ионного токасоставляет 10-50 мЛ, Дополнительныймагнит в виде усеченного конуса суглом при вершине порядка 60-120 выполнен, например, ка основе самарийкобальтового сплава, создает в зазоремагнитное поле напряженностью 1001000 Э. Между мишенью 5, выполненной,.например, из вольфрама, и дополнительным. электродом 6 обеспечивается разность потенциалов 40-1000 В призазоре 4-12 мм. Величина тока дополнительного разряда в зависимости от величикь 1 магнитного и электрического полей, а также величины зазора и материала мишени может изменяться от 20 до 150 мА. При подаче на ускоряющий электрод отрицательного потенциала величиной 10-70 кВ ток ускоренного ионного пучка составляет 10-60 мА.Таким образом, в предлагаемом ис" точнике ионов сохраняется возможность ускорения больших по величине ионных токов от нескольких миллиампер до нескольких десятков миллиампер . С другой сторонь 1, по сравнению с прототипом источник обеспечивает условия увеличения тока ионов распыпяемой мишени до 903 от общего тока, При этом мишень может быть выполнена из металла или сплава, в том числе и тугоплавкогоФормула изобретенияИонный источник, содержащий кольцевые катод и анод, выполненные из Таким образом, при попадании на поверхность мишени 5 первичного ионного пучка в зазоре, образованномдополнительным. электродом 6 и мишенью 5, появляются как отраженные от мише 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 конуса, полярность полюсов которого совпадает с полярностью полюсов основного магнита, обеспечивает наличие в зазоре между мишенью 5 и дополнитель-. ным электродом 6 магнитное поле, папаллельное поверхности мишени 5 и дополнительного электрода 6. Электрическое поле, перпендикулярное магнит" ному обеспечивается разностью потен"ФЮ циалов. параллельно расположенных поверхностей мишени 5 и дополнительного электрода 6В скрещенных электрическом и магнитном полях при опредеделенных условиях зажигается дополнительный разряд. Магнитное поле дополнительного магнита 4 практически не влияет на траекторий движения ионов, С другой стороны оно препятствует быстрому попаданию электронов на30 дополнительный электрод 6 и тем самым обеспечивает существенное увеличение их времени жизки и соответственно высокую степень ионизации вещества в зазоре.Для увеличения эффективности ионн- З 5 зации величина магнитного поля в зазоре, размер зазора и напряженность электрического поля выбираются таким образом, чтобы ларморовский радиус ускоренного в зазоре электрона был 40 значительно меньше расстояния между поверхностью мишени 5 и дополнительного электрода 6. Ионы газа или материалы мишени, образующиеся в зазоре в процессе иокизации, ускоряются электрическим полем, существующим между мишенью 5 и дополнительным электродом 6, и производят дойолнительное распыление материала мишени и увеличивают выход вторичных ионов металла. 50 Таким оразом, дополнительный разряд обеспечивает не только повышение степени иониэации распыленного вещества мишени, но и увеличение концентрации плазмы, образованной из материалаве щества мишени 5 за счет дополнительного распыления.Из сформированной таким образом плазмы с помощью ускоряющего электрода 8, находящегося под отрицательным по отношению к мишени 5 и дополнительному электроду 6 потенциалом, извлекается и ускоряется ионный пучок. Ускоряющий электрод 8 относительно мишени 5 и.дополнительного электрода 6 расположен на расстоянии, обеспечивающем электрическую прочность промежутка,Пример конкретного выполнения пред- лагаемого источника ионов. Катод 1 и анод 2 выполнены из немагнитного материала, например из нержавеющрй стали. Постоянный.магнит обеспечивает в.Решетник оррек хред И.Поп едактор Е.Зубиетова каэ 992 Тираж 400 НИИПИ Государственного комитета СС по делам изобретений и открытий 113035, Иосква, Ж"35, Раушская набодпис В 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4 немагнитного материала н коаксиальноустановленные между полюсными наконечниками постоянного магнита и цилиндрический экстрактор, а также источники напряжения катода и анода,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью увеличения предельного токаионов металла, в катоде и экстракторе выполнены кольцевые щелевые отверстия, напротив которых внутри экстрактора установлен соосно дополнительный постоянный магнит в виде усеченного конуса, полюсами которогослужат его торцовые поверхности, набоковой поверхности дополнительного магнита размещена распыляемая мишень,на экстракторе напротив мишени установлен дополнительный электрод, внутренняя поверхность которого параллельна конусной поверхности дополнительного магнита, при этом между мишенью и боковой.поверхностью дополнительного электрода имеется зазор,размеры которого определены из условий электрической прочности, дополни"тельный магнит подключен к источникунапряжения, отрицательного по отноше-нию к экстрактору, а полярность полюсов основн;го и дополнительногО магнитов совпадает.