Источник ионов металлов

 

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных ленточных пучков ионов металлов, включая тугоплавкие, их сплавов, и может быть использовано для технологических целей (ионная имплантация, осаждение пленок заданного материала в вакууме и т.д.) и научных исследований. Целью изобретения является получение ленточных пучков тугоплавких металлов с высоким коэффициентом использования рабочего вещества и содержанием ионов металла в пучке при увеличении ресурса работы. Источник ионов основан на самостоятельном разряде, контрагированном в скрещенных электрическом и магнитном полях. Между катодом и ускоряющим электродом введен диск с центральным отверстием в виде эллипса с эксцентриситетом, близким к единице, составляющий со стенкой катода, имеющий такое же отверстие, полюса дополнительной магнитной системы. Расстояние h между полюсами должно удовлетворять соотношению (h + 2a) / [(b - t) 2] = 1, где 2a - толщина полюсов дополнительной магнитной системы, b - длина малой полуоси эллипса, t - толщина вставки из ионнообразующего материала, устанавливаемой на полюса (на стенки отверстий) и перекрывающей межполосный зазор. Дополнительная магнитная система электрически изолирована, и на нее подается отрицательный потенциал относительного катода. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для получения интенсивных ленточных пучков ионов металлов, включая тугоплавкие, их сплавов и может быть использовано для технологических целей (ионная имплантация, осаждение пленок заданного материала в вакууме и т.д.), а также для научных исследований. Целью изобретения является получение ленточных пучков ионов тугоплавких металлов при высоких коэффициентах использования рабочего вещества, содержания ионов металла в пучке и длительном ресурсе работы. Сущность изобретения состоит в том, что совокупность отличительных признаков позволяет реализовать разряд с типичной для магнетронных распылительных систем катодной областью со скрещенными электрическим и магнитным полями, обеспечивающий положительный эффект за счет сосредоточения в одной зоне получения рабочего вещества в газообразном состоянии путем интенсивного катодного распыления, эффективную ионизацию распыленных атомов и отбор генерируемых ионов в пучок. Достоинства изобретения наиболее полно проявляются при создании ленточных пучков ионов металлов. Предложенное устройство поясняется чертежом. Источник ионов содержит анод 1 из немагнитного материала, промежуточный электрод с кольцевой контрагирующей щелью между стержнем 2 и ярмом 3. Магнитную систему для создания радиального магнитного поля в щели, включающую ферромагнитный стержень 2, ярмо 3, магнитопровод 4 и катушку 5, полый катод, образуемый стаканом 6 с отверстием в дне, обращенном к аноду, диаметром, превышающим диаметр отверстия в ярме 3, и электрически изолированной стенкой-диском 7 с эмиссионным отверстием, геометрия которого задается требованиями геометрии сечения пучка, из ферромагнитного материала. В стенках-дисках 7 и 8 из ферромагнитного материала выполнены одинаковые центральные отверстия и совместно с катушкой 9 они образуют дополнительную магнитную систему с магнитным полем арочной конфигурации, выпуклым в направлении центра отверстий. На стенки отверстий в стенках-дисках 7 и 8 установлена вставка 10 из ионообразующего материала, перекрывающая межполюсный зазор высотой h. Пространство 11 является эмиссионным каналом и его сечение, перпендикулярное оси источника ионов, определяет геометрию сечения пучка. Для получения ленточных пучков сечение эмиссионного канала должно иметь вытянутую форму. Оптимальным для организации замкнутого дрейфа электронов в эмиссионном канале вытянутой формы является эллиптическое сечение с эксцентриситетом, близким к единице. Следовательно, и отверстия в дисках 7 и 8 должны быть в виде эллипсов с эксцентриситетом, близким к единице. Для отбора ионов из разрядной плазмы и их формирования в ленточный пучок служит ускоряющий электрод 12 с отверстием соответствующей формы. Напуск соответствующего газа, необходимого для инициирования и поддержания вспомогательного разряда между полым катодом и анодом, осуществляется через отверстие в аноде. Откачка разрядной камеры осуществляется через эмиссионный канал. Изоляторы 13 и 14 служат для электрической развязки промежуточного электрода, стакана 6 и дополнительной магнитной системы. Электропитание вспомогательного разряда осуществляется от блока электропитания 15. Дополнительная магнитная системы (детали 7, 8 и 10 находятся под одним потенциалом) подключена к отрицательному полюсу блока электропитания 16 для организации эффективного распыления рабочего вещества в зону интенсивной ионизации и токоотбора. Источник ионов работает следующим образом. Устанавливаются необходимые для поддержания разряда расход сопутствующего газа и магнитная индукция в контрагирующей щели. После подачи напряжения от блока питания 15 зажигается слаботочный разряд между стенками, ограничивающими контрагирующую щель, и анодом. При включении блока питания 16 даже в отсутствие напряжения формируется контрагированный разряд с замкнутым дрейфом электронов в щели, имеющим структуру с двойным электростатическим слоем между плотной анодной и редкой катодной плазмами. Катодная плазма отделена от стенок полого катода электростатическим слоем напряжением ( ≈100 В), составляющим примерно половину от разрядного, и шириной ≈2 мм. Ширина 2b эмиссионного канала (b длина малой полуоси эллиптического отверстия) должна превышать в несколько раз (более 2) ширину катодного падения, чтобы катодная плазма проникала в эмиссионный канал. При введении магнитного поля в дополнительной магнитной системе у стенок вставки 10, ограничивающих эмиссионный канал, формируется область со скрещенными электрическим и магнитным полями. Величина магнитной индукции такова, что магнитное поле практически не влияет на траектории ионов. Ионы из проникающей в эмиссионный канал катодной плазмы, а также часть ионов, ускоренных двойным электростатическим слоем из анодной плазмы, ускоряются электрическим полем у стенки вставки 10, бомбардируют ее и выбивают атомы материала вставки, а вместе с ними и электроны. Эти электроны попадают в область скрещенных электрического и магнитного полей, движутся по траекториям, близким к циклоидальным. Благодаря эллиптической форме сечения эмиссионного канала электроны совершают замкнутый дрейф. Их перемещение от стенки вставки происходит за счет столкновений. В результате ионизационных столкновений электроны ионизируют распыленные атомы, и атомы остаточного газа. Подача напряжения от блока питания 16 приводит к росту падения напряжения у стенки вставки, что увеличивает ионизирующую способность электронов в эмиссионном канале за счет увеличения их энергии и повышает эффективность распыления материала вставки, т.е. парциальное давление атомов рабочего вещества в этой зоне растет. Образующиеся в эмиссионном канале ионы частично отбираются в пучок, а оставшиеся бомбардируют вставку и вносят свой вклад в воспроизводство ионизирующих электронов и в распыление материала вставки. Отбор ионов в пучок производится электрическим полем ускоряющего промежутка из плазмы, генерируемой в эмиссионном канале. Оптимальным условием геометрии эмиссионного канала является соотношение Н/2b 1 или применительно к полюсам магнитной системы (h + 2a)/2(b t) 1 (толщина полюсов 2а должна быть минимально возможной, чтобы уменьшить потери ионов на стенках полюсов). Предложенный источник обеспечивает на порядок больший срок службы распыляемой мишени (до 100 ч) за счет увеличения объема рабочего вещества, на порядок больший коэффициент использования рабочего вещества при получении ленточных пучков за счет сосредоточения зоны генерации ионов металлов и их токоотбора в одной области (в эмиссионном канале).

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ИОНОВ МЕТАЛЛОВ, содержащий анод, промежуточный электрод с контрагирующей кольцевой щелью, магнитную систему броневого типа, катод по крайней мере с одним выходным отверстием для извлечения ионов, выполненный полым, в виде металлической камеры, ускоряющий электрод, отличающийся тем, что, с целью получения ленточных пучков ионов тугоплавких металлов с высоким коэффициентом использования рабочего вещества, увеличения содержания ионов металла в пучке, между катодом и ускоряющим электродом введен диск с центральным отверстием, имеющим форму щели в виде эллипса, составляющий со стенкой катода, имеющей такое же отверстие, полюса дополнительной магнитной системы, между которыми вставлена вставка из ионообразующего материала, расстояние h между полюсами должно удовлетворять соотношению (h + 2a) / 2 (b t) 1, где 2a толщина полюсов дополнительной магнитной системы, b длина малой полуоси эллипса; t толщина вставки из ионообразующего материала, полностью перекрывающей межполюсный зазор, причем дополнительная магнитная система электрически изолирована и на нее подается отрицательный потенциал относительно катода.

РИСУНКИ

Рисунок 1