Источник ионов дуоплазмотронного типа

)с Н 01 . 27/10 БР ТЕ логии элект ионов форм азме про рямоимм метри оплд Данн извлеплощаплотнсОлена ния. СО 2, дит с ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) В.М.Пузиков, А.В.Семенов и Д.И.Засим (56) Ггеевап,.Н, ет а, ТЬе ертаха Зупсезс бавопб Ьу йе герозИоп о 1 очч епег 9 у сагЬ- оп опв. Часиков, 1984, ч,34, К 1,-2 р 304 - 315.Авторское свидетельство СССР М 735115, кл. Н 01 Л 37/08, 1978.(54) ИСТОЧНИК ИОНОВ ДУОПЛАЗМОТРОННОГО ТИПАи(57) Использование: плазменные источник ионов, например, для ионно-лучевой техно Предлагаемое устройство относится к плазменным источникам ионов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии получения углеродных и других пленок, легирования полупроводников и других областях материаловедения,Известен источник ионов углерода, содержащий вольфрамовый катод косвенного накала и анод, помещенные во внешнее магнитное поле, расположенное в разрядной камере.Вдоль оси разрядной камеры установвыходная щель прямоугольного сече- Рабочим веществом являются газы СО. Так как извлечение ионов происхограницы однородной плазмы перпендикулярно магнитному полю, плотность извлекаемых ионов невысока и для получения приемлемого тока используется щель с большим сечением, Источник позволяет получать ток ионов углерода 10 мА, но характеризуется нужной экономичностью и Сущность изобретения: отверстия в родах дуоплазмотронного источника выполнены прямоугольной щелевой ы с общей плоскостью симметрии. По- промежуточного электрода, в которой щены испаритель рабочего вещества тяженный вдоль щелевых отверстий канальный термоэмиссионный катод, трична относительно плоскости сими щелевых отверстий в электродах думотрона и в извлекающем электроде. ое выполнение позволяет увеличить каемый ионный ток за счет увеличения ди плазменного эмиттера с высокой остью.2 ил. большим газовыделением в операционную вакуумную камеру,Известен более экономичный плазменный источник ионов углерода, который содержит стержневой катод, расположенный параллельно оси разрядной камеры, являющейся анодом, помещенный по внешнее магнитное поле.Параллельно катоду расположена выходная щель прямоугольного сечения, Газообразным рабочим веществом являются газы СО, СО 2, Источник позволяет получать 2 - 3 мА тока ионов углерода.Недостатком приведенных устройств является относительно небольшой ток ионов углерода, большое содержание примесей в извлекаемом пучке ионов.Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является источник ионов, выполненный по схеме дуоплазмотрона, работающии на твердом веществе - графите.Источник содержит аксиально-симметричные электроды: анод с коническим экспандером (плазменный эмиттер) сотверстием и промежуточный анод с цилиндрической полостью, в которой расположенграфитовый тигель в виде цилиндра с коническим основанием и каналом в вершинеконуса, термокатод и экстрактор с отверстием, Тигель из рабочего вещества отделен отводоохлэждаемой поверхности промежуточного анода системой теплоизолирующихэкранов.Особенностью источника является то,что дуговой разряд возбуждается непосредственно в тигле в парах углерода.без вспомогательного газа, Преимуществамидуоплазмотрона являются высокая эффективность и плотность ионного тока, чистотаионного пучка углерода и отсутствие газового натекания в рабочую камеру, Источникпозволяет получать до 20 мА ионного токауглерода.Недостатком устройства, выбранного вкачестве прототипа, является невозможность достижения более высоких величинионного тока, необходимых для упрощенияи удешевления процессов нанесения пленок,Дело в том, что при заданном потенциале экстрактора существует максимальныйток ионного пучка круглого сечения, который можно сформировать аксиально-симметричной системой электродов,+Полный ток ионов 1, который можноизвлечь с границы плазменного эмиттера.определяется параметрами плазмы и площадью ее границы Я, с которой происходитотбор ионов1 = 04 еп+ л)2 К Те где е и Те - заряд и температура электронов, и+ - концентрация ионов невозмущенной плазмы вблизи отверстия.Подставляя в формулу характерные для14 дуоплазмотрона величины; и+ 10 см, Те " 10 К и площадь плазменного эмиттера известного устройства Я - 8 10 см, пол-з г учим, что ионный ток углерода - примерно 20 мА. Однако для формирования цилиндрического пучка аксиально-симметричной системой электродов необходимо также. чтобы выполнялось условие перекрытия канала экстрактора ионным слоем, Оценки с учетом этого требования дают максимальную величину цилиндрического тока ионов углерода при извлекающем потенциале 104 В примерно 50 мА (с учетом массового состава пучка), Таким образом, видно, что известный источник ионов углерода ограничен, как по величине полного тока ионовуглерода, так и по величине тока формируемого цилиндрического пучка. Кроме того,5 недостатком является то, что цилиндрический пучок ионов, сформированный аксиально-симметричной системой, существенно неоднороден в поперечном сечении засчет кулоновского расталкивания ионов и10 электронной фокусировки на оси пучка, врезультате чего распределение плотноститока по сечению имеет вид, близкий к Гауссовому. Это не позволяет получать пленки сравной толщиной на площади подложки да 15 же в пределах сечения ионного пучка безспециальных операций с подложкой илипучком;Целью настоящего изобретения является увеличение извлекаемого ионного тока20 при заданной степени однородности плотности тока по поперечному сечению ионного пучка за счет увеличения площадиплазменного эмиттера с высокой плотностью,25 Указанная цель достигается тем, что висточнике ионов дуоплазмотронного типа,содержащем соосно и последовательно расположенные полый промежуточный электрод, в полость которого размещен30 прямоканальный термоэмиссионный катоди испаритель рабочего вещества, анод с отверстием для извлечения ионов в формулерасширяющегося канала, соосно контрагирующему отверстию промежуточного элект 35 рода, извлекающий электрод с сооснымотверстием и магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и магнитопроводом, полюсами которой служат анод ипромежуточный электрод, согласно изобре 40 тению, соосные отверстия. в промежуточном электроде, аноде и и зал ек аю щемэлектроде выполнены прямоугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии,при этом полость промежуточного электро 45 да выполнена симметричной относительноплоскости симметрии щелевых отверстий спрямоугольным продольным сечением, причем катод выполнен протяженной вдоль щелевых отверстий формы и расположен в50 плоскости симметрии отверстий,Таким образом, предлагаемый источникионов с щелевидной системой электродовпредназначен для генерации ленточногопучка ионов и является по существу щеле 55 видным дуоплазмотроном. Это позволяетустранить вышеуказанные недостатки прототипа и улучшить его характеристики,Так согласно решения, величина полного тока пучка ионов, формируемого в щелевидной системе, пропорциональна длине а50 55 выходной щели, что позволяет значительно увеличить величину ионного тока по сравнению с аксиально-симметричным дуоплазмотроном.Кроме того ленточный пучок вдоль координаты большего размера пучка имеет практически однородную плотность ионного тока, причем. степень однородности тем выше, чем больше отношение длины к ширине пучка. Отсюда следует, что необходимую величину максимального тока ионов и однородности ленточного пучка можно задать, выбирая соответствующий размер щели экспандера, в отличие от известных устройств.Суть предлагаемого решения заключается в следующем. Предложено увеличить величину извлекаемого тока ионов за счет увеличения площади отбора с границы плазмы высокой плотности (п+ 10 см ),14 которая образуется за счет контрагирования неоднородным магнитным полем, Сделать это путем увеличения диаметра аксиального плазменного эмиттера не удается, так как в аксиальном источнике плазма высокой плотности расположена вдоль оси источника и ее параметры слабо и сложным образом зависят от диаметра экспандера.Поэтому было предложено использовать плоско-симметричную систему контрагирования плазмы для создания щелевого плазменного эмиттера, в котором площадь границы плазмы высокой плотности пропорциональна длине щели, т.е, при достижении равных параметров плазмы и+ и Те с аксиально-симметричным источником в плоскосимметричном источнике полный ток ионов будет враз больше. Необходимые параметры плазмы были достигнуты путем выполнения катода, тигля, промежуточного анода, канала промежуточного анода, анода, экспандера и экстрактора с прямоугольным сечением и плоскостью симметрии, проходящей через щель экспандера.На чертеже приведена схема предлагаемого устройства,Предлагаемый источник ионов содержит анод 1, являющийся магнитным полюсом, изготовленный из мягкого железа в виде цилиндра. В прямоугольный паз в центре анода вставлен экспандер 2, выполненный в виде призмы из тантала с щелью при вершине конуса размером 0,8 х 40 мм, Угол конуса полости расширения плазмы 120 О. Промежуточный анод 3, являющийся внутренним магнитопроводом, изготовлен из мягкого железа и заканчивается магнитным полем, имеющим прямоугольный паз 25 х 80 мм. Промежуточный анод 3 и анод 1 5 10 15 20 25 30 35 40 имеют проточку 4 для водяного охлаждения, Для создания в зазоре между промежуточным анодом 3 и анодом 1 неоднородного магнитного поля на промежуточный анод 3 надет соленоид 5 с внешним магнитопроводом 6, В полости 7 промежуточного анода 3, имеющей прямоугольное сечение, установлен узел испарителя, содержащий графитовый тигель 8, являющийся иеточником рабочего пара и имеющий щелевидный канал 9 сечением Зх 40 мм, систему экрановг10 из молибдена и тантала, и молибденовый корпус 11. В полость тигля помещен накаливаемый катод 12 уз танталовой проволоки 0,8 мм, который через изоляторы 13 укреплен в корпусе и соединен с токовводом 14. В корпусе 15 расположен фланец 16 для дополнительной откачки источника в процессе работы, что позволяет свести газовыделение в вакуумную систему до минимума.Рассмотрим работу источника на примере получения ионов углерода из графита,Нагрев графита до температуры, обеспечивающей давление его пара, необходимое для поджигания и горения дуги (10 102 мм рт.ст.) осуществляется внутри испарителя 8 в два этапа: вначале нагрев графита выполняют термоэмиссионным электронным током путем разогрева катода и прикладывания напряжения между катодом 12 и тиглем 8, затем после достижения давления паров углерода до необходимой величины зажигается дуговой разряд и нагрев рабочего вещества осуществляется этим же дуговым разрядом, Одновременно с первым зажигается второй дуговой разряд в промежутке катод 12 - анод 1 и дуоплазмотрон выходит на обычный для него режим работы. По сути работы щелевой дуоплазмотрон отличается от известных аксиальносимметричных дуоплазмотронов тем, чтодуговые разряды имеют не ось симметрии,а плоскость симметрии, что обуславливает существование неоднородных областейплазмы вдоль щели. Остальные параметры плазмы (плотность, температура и др.) соответствуют характерным для дуоплазмотронов.Так, для генерации пучка ионов углерода с током 150 мА при ускоряющем потенциале на экстракторе 20 кВ были использованы следующие режимы, Ток накала катода 36 А. ток и напряжение промежуточного и анодного дугового разряда 20 А, 100 В и 7 А, 130 В соответственно. Магнитное поле в щели экспандера 600 Э.Предлагаемый тип источника может работать как на любом газообразном веществе, вводимом в тигель через трубопровод,так и в парах других твердых веществ, которые загружаются в небольшие полости, сде 1774391ланные в графитовом тигле, Были проведены испытания и при средних режимах работы; получены пучки ионов следующих материалов (ток в мА в скобках): газообразных Аг(140), СН 4 (120); металлов: СО (70); К 3 (50).В таблице приведены сравнительные характеристики известных и предлагаемого источников ионов, используемых для получения ионов углерода,Как следует из таблицы, предлагаемый источник ионов по величине извлекаемого ионного тока значительно превышает известные источники ионов углерода (в 10 и более раз), Являясь по существу щелевидным дуоплазмотроном, обладает высокой экономичностью, Ленточная форма пучка обеспечивает большую его однородность по сравнению с прототипом,формула изобретенияИсточник ионов дуоплазмотронного типа, содержащий соосно и последовательно расположенные полый промежуточный электрод, в полости которого размещены прямоканальный термоэмиссионный катод и испаритель рабочего вещества, анод с отверстием для извлечения ионов в форме расширяющегося канала, соосного контрагирующему отверстию промежуточного 5 электрода, извлекающий электрод с соосным отверстием и магнитную систему с источником магнитодвикущей силы и магнитопроводом. полюсами которой служат анод и промежуточный электрод, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышениявеличины извлекаемого ионного тока при заданной степени однородности плотности тока по поперечному сечению ионного пучка за счет увеличения площади плазменно го эмиттера с высокой плотностью, соосныеотверстия в промежуточном электроде, аноде и извлекающем электроде выполнены прямоугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии, при этом полость 20 промежуточного электрода выполнена сим-.метричной относительно плоскости симметрии щелевых отверстий с прямоугольным продольным сечением, причем катод выполнен протяженной вдоль щелевых отверстий 25 формы и расположен в плоскости симметрии отверстий.1774391Составитель А.Семеновдактор Б.Федотов Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши Заказ 3930 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5ПроизвОдственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10