Плазменный источник ионов и способ его работы

 

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно - к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков, и к способам их работы. Изобретение может использоваться в технологических процессах с использованием ионных пучков для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации и для изменения свойств материалов. Плазменный источник ионов содержит катодную камеру с газовводом. Полый анод, образующий анодную камеру, сообщен с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней. В состав источника ионов входит электрическая система извлечения ионов с эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры. С помощью магнитной системы в катодной и анодной камерах создается магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления. В катодной камере установлен поджигной электрод, электрически соединенный с полым анодом. В выходном отверстии катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры. В дополнительном электроде выполнено осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода. Указанное выполнение источника ионов и способ его работы позволяют повысить энергетическую эффективность и газовую экономичность устройства и повысить однородность плотности генерируемого ионного тока. 2 с. и 24 з.п.ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно - к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков, и к способам их работы. Изобретение может использоваться в технологических процессах с использованием ионных пучков для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации и изменения свойств материалов.

Предшествующий уровень техники В настоящее время известны различные типы плазменных источников ионов. Так, например, из японской патентной заявки JP 57-011448 А (H 01 J 3/04, 27/08), опубликованной 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.

Другой плазменный ионный источник, описанный в заявке DE 3429591 A1 (H 01 J 3/04, опубликована 21.03.85), 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.

В последние годы плазменные источники ионов с холодными полыми катодами находят все более широкое применение в различных ионно-лучевых технологиях. Так, например, сообщалось о разработке источников ионов, работающих как на инертных, так и на химически активных газах. В таких источниках используется полый холодный катод, внутри которого с помощью постоянных магнитов создается магнитное поле для стабилизации разряда. В состав источника ионов входит также анодная камера, отделенная от полого катода. Величина ионного тока в такого типа источниках ионов составляет 150 мА и 300 мА для различных диаметров выходного отверстия разрядной камеры: соответственно для 5 и 10 см. Разрядное напряжение между стенками полого катода и анодной камерой находилось в диапазоне 350 - 550 В. Причем ресурс источника ионов диаметром 10 см при работе на химически активном газе превысил 500 часов (Gontcharov Leonid, Makounin Sergei. Cold Hollow Cathodes for Ion Sources Operating on Active and Inert Gases [он-лайн] , [2000-04-24]. Адрес в Интернет: http: //www. orc/ru/~platar/7r.htm).

Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является плазменный источник ионов, конструкция которого раскрыта в статье Гаврилова Н.В., Емлина Д.Р. и Никулина С.П. "Генерация однородной плазмы в тлеющем разряде с полым анодом и широкоапертурным полым катодом" (Журнал "Письма в ЖТФ", 1999, том 25, вып. 12, стр. 83-88). Прототип изобретения включает в свой состав катодную камеру с газовводом, полый анод, образующий анодную камеру, электростатическую систему извлечения ионов с электрически изолированным эмиссионным электродом, установленным на выходном отверстии анодной камеры, и магнитную систему. При этом анодная камера соединена с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней. С помощью магнитной системы в катодной и анодной полостях создается магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления.

Известный источник ионов позволяет создать близкое к однородному распределение плотности тока ионной эмиссии при низких давлениях газа. Данное устройство используется для генерации ионных пучков в широком диапазоне энергий. Однако этот источник ионов не предназначен для работы на химически активных газах при заданных требованиях по ресурсу, надежности, газовой экономичности и энергетической эффективности. Известный источник ионов обладает ограниченными возможностями по генерации интенсивных пучков ионов: плотность генерируемого им ионного тока не превышает 3 мА/см². Причем предельные значения тока пучка достигаются при существенном увеличении энергии ионов и снижении однородности плотности тока по сечению пучка. Следует отметить, что данные параметры являются определяющими для обеспечения возможности использования источников ионов в ряде технологических процессов, используемых для модификации материалов. Кроме того, неоднородность генерируемых с помощью известного ионного источника интенсивных пучков может превышать 10%.

Наиболее близким аналогом способа работы патентуемого плазменного источника ионов является соответствующий способ, раскрытый в патентной заявке GB 2064856 А (H 01 J 37/08, опубликована 17.06.81). Известный способ работы плазменного источника ионов заключается в осуществлении предварительного ввода рабочего плазмообразующего вещества через газоввод, размещенный в полости катодной камеры источника ионов, и в подаче напряжения на поджигной электрод, на стенки катодной камеры и на полый анод. При этом поджигной электрод устанавливается в полости катодной камеры и электрически изолируется от нее. В одном из вариантов реализации указанного изобретения в качестве поджигного электрода используется газоввод, выполненный в виде металлической трубки, соосно установленной в полости катодной камеры. Полый анод известного источника ионов образует анодную камеру, которая сообщена с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в последней.

Данный способ работы плазменного источника ионов обеспечивает увеличение мощности разряда между полым катодом и полым анодом и соответственно высокие плотности ионного тока. Но применение известного способа ограниченно из-за невысокой газовой экономичности, низкой энергетической эффективности и неоднородности плотности ионного тока при генерации пучков большого сечения. Недостатки этого способа работы плазменного источника ионов аналогичны описанным выше недостаткам, присущим способу работы источника ионов, выбранного в качестве прототипа изобретения-устройства.

Сущность изобретения В основу настоящего изобретения положена задача, связанная с созданием плазменного источника ионов, обладающего высокой надежностью, высоким ресурсом, высокой энергетической эффективностью и газовой экономичностью. Кроме того, плазменный источник ионов должен генерировать ионные пучки, в том числе и большого сечения, с однородным распределением плотности тока. При этом заданные характеристики источника ионов должны достигаться не только при работе на инертных газах, но и при использовании химически активных веществ.

Перечисленные технические результаты обеспечиваются за счет следующего выполнения конструкции плазменного источника ионов.

Источник включает в свой состав катодную камеру с газовводом, полый анод, образующий анодную камеру, сообщенную с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней, электростатическую систему извлечения ионов с элетроизолированным эмиссионным электродом, установленным на выходном отверстии анодной камеры, и магнитную систему, создающую в катодной и анодной камерах магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления. В дополнение к этому, согласно настоящему изобретению, источник содержит поджигной электрод, установленный в катодной камере и электрически связанный с полым анодом. При этом в выходном отверстии катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры. В дополнительном электроде выполняется осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода.

При величине размера D более 50 мм диаметр отверстия d преимущественно выбирается менее 5 мм.

Наиболее предпочтительно использование дополнительного электрода, диаметр d осевого отверстия которого равен 3 мм при условии выполнения соотношения d ≤ 0,1D.

Целесообразно, с целью обеспечения заданного ресурса и надежности, выполнение катодной камеры источника ионов с возможностью принудительного охлаждения.

Наилучшие параметры устройства, в том числе газовая экономичность и энергетическая эффективность, обеспечиваются в случае выполнения магнитной системы с возможностью создания магнитного поля, величина индукции которого спадает от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и в направлении к выходным отверстиям камер.

Возможен вариант исполнения магнитной системы в виде сборок постоянных магнитов, расположенных вдоль внешней поверхности катодной камеры либо катодной и анодной камер. При этом дополнительный электрод изготавливается из магнитопроводящего материала и служит полюсом магнитной системы.

Возможен также вариант исполнения источника ионов, когда магнитная система образована электромагнитными катушками.

Генерация моноэнергетичного пучка ионов обеспечивается при выполнении магнитной системы с возможностью создания в полости анодной камеры магнитного поля с вектором индукции, имеющим противоположное направление по отношению к вектору индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

Наибольшие значения извлекаемого ионного тока могут быть достигнуты при выполнении магнитной системы с возможностью создания в полости анодной камеры магнитного поля с вектором индукции, имеющим одинаковое направление с вектором индукции магнитного поля в полости катодной камеры. В этом случае снижается неравномерность распределения концентрации заряженных частиц в анодной камере и потери генерируемых в ней ионов.

Для равномерного распределения высокоэнергетичных электронов в объеме анодной камеры и, соответственно, для повышения однородности извлекаемого ионного тока в полости анодной камеры напротив осевого отверстия в дополнительном электроде может быть установлен отражатель электронов.

Целесообразно также, чтобы источник ионов содержал дополнительный газоввод кольцеобразной формы, размещенный в анодной полости. Это позволяет повысить газовую экономичность источника и обеспечить изоляцию стенок катодной камеры от химически активных веществ.

Наиболее эффективно использование дополнительного электрода с выступом, направленным в сторону катодной полости. При этом осевое отверстие образовано в выступе дополнительного электрода. Такой выступ дополнительного электрода может быть выполнен в форме усеченного конуса.

В преимущественном варианте исполнения газоввод катодной полости электрически соединяется с полым анодом через переменный резистор, с помощью которого возможно регулировать параметры разряда в анодной полости.

Предпочтительно также выполнение системы электропитания источника, согласно которому стенки катодной камеры подключаются к отрицательному полюсу первого источника напряжения. Полый анод подключается к положительному полюсу первого источника напряжения и к положительному полюсу второго источника напряжения, отрицательный полюс которого заземлен.

В качестве поджигного электрода может использоваться газоввод катодной камеры, который в этом случае электроизолируется от последней.

Указанные выше технические результаты достигаются также при осуществлении способа работы плазменного источника ионов, который заключается в следующем.

При осуществлении способа предварительно вводят рабочее плазмообразующее вещество через газоввод, размещенный в полости катодной камеры плазменного источника ионов, и подают напряжение на поджигной электрод, установленный в полости катодной камеры, на стенки катодной камеры и на полый анод, образующий анодную камеру, которая сообщена с катодной камерой через выходное отверстие последней. В дополнение к этому, согласно настоящему изобретению, в полостях катодной и анодной камер создают магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления. При этом величины напряжений выбирают достаточными для предварительного зажигания электрического разряда в полости катодной камеры между ее стенками и поджигным электродом и для последующего зажигания электрического разряда между катодной и анодной камерами через отверстие, выполненное в дополнительном электроде. Этот электрод электроизолируется от полого анода и от катодной камеры и устанавливается в выходном отверстии последней. Диаметр d отверстия в дополнительном электроде выбирают не более 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода.

Для снижения потерь заряженных частиц на стенках камер магнитное поле создается таким образом, чтобы величина его индукции спадала от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и в направлении к их выходным отверстиям.

Генерация моноэнергетичного пучка ионов обеспечивается в том случае, когда в полости анодной камеры создается магнитное поле с вектором индукции, имеющим противоположное направление по отношению к вектору индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

Наибольшие значения извлекаемого ионного тока могут быть достигнуты, если в полости анодной камеры создается магнитное поле с вектором индукции, имеющим одинаковое направление с вектором индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

Величину извлекаемого ионного тока и/или величину энерговклада в разряд можно регулировать путем выбора сопротивления переменного резистора, включенного в электрическую цепь между полым анодом и газовводом катодной камеры.

Для создания магнитного поля может использоваться магнитная система, выполненная в виде сборок постоянных магнитов, расположенных вдоль внешней поверхности катодной камеры либо катодной и анодной камер.

Для создания магнитного поля может также использоваться магнитная система, образованная электромагнитными катушками.

Извлечение ионов из анодной камеры в предпочтительном варианте исполнения осуществляется с помощью электростатической системы извлечения, включающей в свой состав эмиссионный электрод, находящийся под плавающим потенциалом, ускоряющий и заземленный замедляющий электроды.

В качестве поджигного электрода можно использовать газоввод, размещенный в катодной камере и электроизолированный от ее стенок. В этом случае на газоввод подается напряжение положительной полярности.

Химически активный плазмообразующий рабочий газ преимущественно подают через дополнительный газоввод, расположенный в анодной полости, а через газоввод катодной камеры подают инертный плазмообразующий газ.

Краткое описание чертежей Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез плазменного источника ионов, выполненного согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 схематично изображен поперечный разрез анодной камеры плазменного источника ионов, показанного на фиг. 1 (разрез А-А).

На фиг. 3 изображена схема электропитания плазменного источника ионов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Патентуемый плазменный источник ионов может использоваться в различных вариантах исполнения в составе технологических установок, например в составе плазмохимических реакторов или ионно-лучевых установок.

Ниже представлено описание предпочтительного варианта исполнения плазменного источника ионов, предназначенного для использования в составе ионно-лучевой технологической установки. Внутренний диаметр полого анода источника ионов в рассматриваемом примере исполнения составляет 50 мм.

Плазменный источник ионов представляет собой тип конструкции источника ионов с холодным катодом. В состав плазменного источника ионов (см. фиг. 1 и 2) входят катодная камера 1 с газовводом 2, полый анод 3, образующий анодную камеру 4. Катодная камера 1, представляющая собой стальной полый цилиндр, сообщена с анодной камерой 4 через выходное отверстие катодной камеры, выполненное в ее торцевой стенке. У выходного отверстия анодной камеры 4 установлена электростатическая система извлечения ионов с эмиссионным электродом 5, непосредственно расположенным на торцевой части анодной камеры. За эмиссионным электродом 5 последовательно установлены ускоряющий электрод 6 и выходной замедляющий электрод 7, который заземлен. Все электроды электростатической системы изолированы друг от друга с помощью изоляторов 8.

В катодной камере 1 установлен поджигной электрод, функции которого в данном варианте исполнения конструкции выполняет электрически изолированный от стенок катодной камеры металлический газоввод 2. Указанный газоввод для осуществления работы источника ионов электрически соединяется с полым анодом 3 через регулируемый переменный резистор (см. фиг. 3). Крепление газоввода 2 к торцевой стенке катодной камеры 1 производится с помощью изоляторов 9.

В выходном отверстии катодной камеры 1 установлен дополнительный электрод 10, который электрически изолирован от полого анода 3 и стенок катодной камеры 1 с помощью изоляторов 11. В дополнительном электроде 10 выполнено осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода. В рассматриваемом конкретном примере исполнения D = 50 мм. При величине размеров D более 50 мм диаметр отверстия d преимущественно выбирается менее 5 мм. В рассматриваемом варианте исполнения диаметр d осевого отверстия в дополнительном электроде 10 равен 3 мм. В этом случае выполняется заданное соотношение: d = 3 мм ≤ 0,1D = 5 мм.

Дополнительный электрод 10 имеет выступ в форме усеченного конуса, который направлен в сторону полости катодной камеры 1. При этом осевое отверстие образовано в выступе дополнительного электрода. Катодная камера 1 выполнена с возможностью принудительного охлаждения. Для этого она снабжена трубками 12, по которым принудительно циркулирует охлаждающая жидкость. Трубки 12 изготавливаются из жаропрочной нержавеющей стали и электроизолируются от остальных частей источника ионов.

Магнитная система состоит из сборок постоянных магнитов 13 и 14, расположенных соответственно вдоль внешней поверхности катодной камеры 1 и анодной камеры 4. При этом дополнительный электрод 10 входит в состав магнитной системы в качестве полюса. Для этого он выполняется из магнитопроводящего материала. В других вариантах исполнения возможно применение для генерации магнитного поля электромагнитных катушек вместо сборок постоянных магнитов.

В целях создания оптимальной конфигурации магнитного поля в камерах источника ионов магнитная система выполняется с возможностью создания в полости анодной камеры 4 магнитного поля с вектором индукции, имеющим противоположное направление по отношению к вектору магнитной индукции магнитного поля в полости катодной камеры 1.

В полости анодной камеры 4 напротив осевого отверстия в дополнительном электроде 10 установлен отражатель 15 электронов, с помощью которого обеспечивается однородное распределение концентрации заряженных частиц в радиальном направлении в полости камеры 4. Источник ионов содержит также дополнительный газоввод 16 кольцевой формы, который обеспечивает равномерное распределение рабочего вещества в полости анодной камеры 4 и, соответственно, однородное распределение извлекаемого ионного тока.

Элементы конструкции источника ионов крепятся на магнитопроводящих фланцах 17 и 18, которые в свою очередь закреплены на установочном технологическом фланце 19. Сборки постоянных магнитов 13 и 14 с помощью элементов крепления установлены на фланцах 17 и 18. Указанные фланцы электроизолированы от установочного фланца 19 с помощью стержневых изоляторов 20, последовательно расположенных по периметру фланца 18. При таком выполнении магнитной системы величина индукции магнитного поля спадает от стенок анодной 1 и катодной 4 камер к их продольной оси симметрии и в направлении к их выходным отверстиям.

Установочный фланец 19 предназначен для крепления плазменного источника ионов в вакуумной камере и выполнен с возможностью вакуумно-плотной установки на ее корпусе. Во фланце 19 выполнены вакуумные (герметичные) разъемы 21 электрических вводов 22 системы электропитания разрядных электродов источника ионов и электродов электростатической системы извлечения ионов. Кроме того, во фланце 19 выполнен вакуумный разъем 23 газоввода 2 и вакуумные разъемы 24 трубок 12, по которым прокачивается охлаждающая жидкость. Использование для крепления источника ионов общего установочного фланца 19 обеспечивает возможность быстрого съема из вакуумной камеры источника ионов вместе с вакуумными разъемами системы электропитания и систем подачи газа и жидкости.

Плазменный источник ионов снабжается системой электропитания (см. фиг. 3). Стенки катодной камеры 1 подключены к отрицательному источнику напряжения 25. Катодная 1 и анодная 4 камеры электроизолированы друг от друга с помощью изоляторов 11 (см. фиг. 1). Полый анод 3 электроизолирован от стенок корпуса анодной камеры с помощью изоляторов 26 (см. фиг. 2) и подключен к положительному полюсу источника напряжения 25 и к положительному полюсу источника напряжения 27, отрицательный полюс которого заземлен. Эмиссионный электрод 5 электростатической системы извлечения ионов находится под плавающим потенциалом плазмы. Ускоряющий электрод 6 подключен к отрицательному полюсу источника ускоряющего напряжения 28, положительный полюс которого заземлен. Замедляющий электрод 7 электростатической системы заземлен.

Работа плазменного источника ионов согласно описанному выше примеру его реализации, соответственно и способ работы плазменного источника ионов согласно настоящему изобретению, осуществляется следующим образом.

Рабочий плазмообразующий инертный газ, например аргон, подается в катодную камеру 1 через газоввод 2. В анодную камеру 4 через дополнительный газоввод 16 подается плазмообразующий газ, в качестве которого могут использоваться химически активные газы, например хлор- и фторсодержащие газы. При таком расположении газовводов снижается концентрация химически активных газов в катодной камере 1 и, следовательно, повышается надежность и увеличивается ресурс источника ионов. Кроме того, использование дополнительного газоввода 16 кольцевой формы обеспечивает равномерное распределение плазмообразующего газа в разрядном объеме анодной камеры 4. С помощью сборок постоянных магнитов 13 и 14, магнитопроводящих фланцев и магнитопроводящего дополнительного электрода 10 создается магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления. Величина индукции магнитного поля спадает от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и в направлении к осевому отверстию дополнительного электрода 10 и к эмиссионному электроду 5 электростатической системы извлечения ионов. При этом вектор индукции магнитного поля в полости анодной камеры 4 имеет противоположное направление по отношению к вектору индукции магнитного поля в полости катодной камеры 1.

Между стенками катодной камеры 1, газовводом 2, электроизолированным от катодной камеры, и полым анодом прикладывается напряжение от источников 25 и 27. На газоввод 2 катодной камеры 1 и на полый анод 3 подают напряжение положительной полярности от источников напряжения 25 и 27. На стенки катодной камеры 1 подают напряжение отрицательной полярности от источника напряжения 25.

Между стенками катодной камеры 1 и газовводом 2, служащим поджигным электродом, прикладывается напряжение от источника 25, достаточное для пробоя разрядного промежутка и поджига разряда в катодной камере 1. Подача напряжения на анод 3 и газоввод 2 от источников 25 и 27 приводит к извлечению электронов из катодной камеры 1 в анодную камеру 4. Напряжение этих источников выбирают достаточным для зажигания электрического разряда между катодной и анодной камерами через отверстие, выполненное в дополнительном электроде 10, который электроизолирован от полого анода 3 и от катодной камеры 1. В результате этого зажигается разряд в анодной камере 4. Важным условием для зажигания разряда между анодной и катодной камерами является выбор диаметра d отверстия в дополнительном электроде, установленном в выходном отверстии катодной камеры. Указанный диаметр d не должен превышать 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода 3 (в рассматриваемом примере реализации внутренний диаметр анода). В приведенном примере разряд зажигается через отверстие, выполненное в дополнительном электроде, диаметр которого равен 3 мм.

Прикладываемое напряжение регулируется с помощью переменного резистора, включенного в электрическую цепь питания. Создаваемое в камерах 1 и 4 магнитное поле облегчает поджиг в них разряда и повышает эффективность работы источника ионов. Оптимальные значения величин индукции магнитного поля находится в диапазоне от 0,01 до 0,05 Тл.

Выравнивание концентрации плазмы в анодной камере в целом и вблизи эмиссионного электрода 5 осуществляется с помощью отражателя электронов 15, соединенного с дополнительным электродом 10. При этом отражатель 15 электрически изолирован от полого анода 3. Применение отражателя электронов наиболее эффективно в случае, если внутренний диаметр анодной камеры превышает 50 мм.

В результате проведенных исследований на экспериментальном образце плазменного источника ионов было установлено, что поджиг основного разряда производится при увеличении величины разрядного напряжения, приложенного между стенками катодной камеры 1 и полым анодом 3, до 350 В. После этого между катодной камерой 1 и анодной камерой 4 возникает разрядный ток. Поджиг разряда сопровождается снижением разрядного напряжения до 300 В. Появление разрядного тока между катодной 1 и анодной 4 камерами сопровождается извлечением из источника ионов пучка ионов, ток которого стабилизируется (по величине) в течение 3 - 5 мин. Изменение разрядного напряжения в диапазоне от 350 до 450 В приводит к изменению разрядного тока в диапазоне от 150 до 700 мА Соответственно этому изменению напряжения ток извлекаемого ионного пучка изменяется от 20 до 55 мА.

В конкретных условиях, при диаметре отверстия в дополнительном электроде 10, равном 3 мм, величина извлекаемого ионного тока составила 70 мА. Разряд между катодной и анодной камерами зажигался через это осевое отверстие. При этом величина разрядного напряжения была равна 510 В. Измеренное значение ионного тока соответствовало площади выходного эмиссионного отверстия анодной камеры - 17 см². В случае увеличения диаметра отверстия в дополнительном электроде 10, т.е. при отклонении от условия d ≤ 0,1D, происходило существенное увеличение энергетической цены иона, снижение газовой эффективности и снижение извлекаемого ионного тока. Так, например, если были выбраны размеры источника ионов - d = 5 мм и D = 50 мм, то разрядное напряжение увеличилось до 560 В при одновременном снижении ионного тока пучка до 60 мА.

Кроме того, было установлено, что после выхода на стабилизированный режим работы источника ионов можно регулировать величину тока извлекаемого ионного тока за счет изменения сопротивления регулируемого переменного резистора (см. фиг. 3), включенного в цепь питания между поджигным электродом, функции которого выполняет газоввод 2, и полым анодом 3. При величине разрядного тока 500 мА увеличение сопротивления резистора от 660 Ом до 1800 Ом вызывало нелинейное увеличение величины ионного тока пучка от 33 до 37 мА. Следует отметить, что дальнейшее увеличение сопротивления переменного резистора до 2680 Ом не приводило к изменению ионного тока. Таким образом, путем выбора сопротивления переменного резистора, включенного в электрическую цепь между полым анодом 3 и газовводом 2 катодной камеры, можно осуществлять регулирование извлекаемого ионного тока и/или величину энерговклада в разряд (на единицу ионного тока).

Извлечение и формирование пучка ионов в данном примере реализации изобретения осуществляется с помощью трехэлектродной электростатической системы извлечения ионов, реализующей принцип "ускорение-замедление". Между генерируемой в полости анодной камеры 4 газоразрядной плазмой, чей потенциал задается полым анодом 3, эмиссионным электродом 5, находящимся под плавающим потенциалом, ускоряющим электродом 6, на который подается напряжение отрицательной полярности от источника 28, и замедляющим заземленным электродом 7 создается заданная разность потенциалов. В результате этого с помощью электростатического поля извлекается пучок ионов из камеры 4. Таким образом электростатическая система извлечения формирует ионный пучок с заданной плотностью ионного тока и заданным сечением.

Как было установлено в ходе экспериментов, при разрядном напряжении в диапазоне от 300 до 600 В плотность ионного тока, генерируемого плазменным источником ионов, составляла соответственно от 0,1 до 5 мА/см². Неоднородность плотности ионного тока по сечению пучка диаметром 40 мм не превышала 5% (измерение проводилось на мишени, расположенной на расстоянии 200 мм от выходного электрода 7 электростатической системы извлечения ионов).

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о высокой энергетической эффективности, газовой экономичности и высокой степени однородности плотности ионного тока разработанного плазменного источника ионов. При этом возможна генерация интенсивных пучков ионов не только инертных, но и химически активных газов. Источник ионов, выполненный согласно настоящему изобретению, обладает требуемой надежностью при работе и высоким ресурсом. Это связано с тем, что химически активные вещества практически не попадают на наиболее нагретые части катодной камеры, служащие эмиттером. Таким образом, как сам патентуемый плазменный источник ионов, так и способ его работы превосходят по достигаемому техническому результату соответствующие технические решения, выбранные в качестве прототипов.

Промышленная применимость Изобретение может найти широкое применение в плазменной технике: в конструкции плазменных источников ионов, предназначенных для генерации интенсивных ионных пучков большого сечения, и для реализации способов их работы.

Патентуемый плазменный источник ионов, выполненный согласно настоящему изобретению, может использоваться в плазменной технике, в составе технологических установок с газоразрядными источниками ионов, например имплантеров, а также в ускорителях заряженных частиц (ионов). Изобретение может найти применение в различных технологических процессах с использованием ионных пучков. Однородные пучки большого сечения, создаваемые с помощью плазменного источника ионов, могут использоваться для обработки полупроводниковых материалов, нанесения покрытий, ионной имплантации, ионного ассистирования, очистки поверхностей и изменения свойств материалов.

Формула изобретения

1. Плазменный источник ионов, содержащий катодную камеру с газовводом, полый анод, образующий анодную камеру, сообщенную с катодной камерой через выходное отверстие, выполненное в стенке последней, электростатическую систему извлечения ионов с электроизолированным эмиссионным электродом, установленным в выходном отверстии анодной камеры, и магнитную систему, предназначенную для создания в катодной и анодной камерах магнитного поля с вектором индукции преимущественно осевого направления, отличающийся тем, что содержит поджигной электрод, установленный в катодной камере и электрически соединенный с полым анодом, при этом в выходном отверстии катодной камеры установлен дополнительный электрод, который электрически изолирован от полого анода и катодной камеры, причем в дополнительном электроде выполнено осевое отверстие, диаметр d которого не превышает 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода.

2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что при величине размера D более 50 мм диаметр отверстия d выбирается менее 5 мм.

3. Источник ионов по п.1 или 2, отличающийся тем, что диаметр d равен 3 мм при условии выполнения соотношения: d ≤ 0,1D.

4. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что катодная камера выполнена с возможностью ее принудительного охлаждения.

5. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что магнитная система выполнена с возможностью создания магнитного поля, величина индукции которого спадает от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и в направлении к их выходным отверстиям.

6. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде сборок постоянных магнитов, расположенных вдоль внешней поверхности катодной камеры либо катодной и анодной камер, при этом дополнительный электрод выполнен из магнитопроводящего материала и служит полюсом магнитной системы.

7. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что магнитная система образована электромагнитными катушками.

8. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что магнитная система выполнена с возможностью создания в полости анодной камеры магнитного поля с вектором индукции, имеющим противоположное направление по отношению к вектору индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

9. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что магнитная система выполнена с возможностью создания в полости анодной камеры магнитного поля с вектором индукции, имеющим одинаковое направление с вектором индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

10. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в полости анодной камеры напротив осевого отверстия в дополнительном электроде установлен отражатель электронов.

11. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что содержит дополнительный газоввод кольцеобразной формы, размещенный в анодной полости.

12. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что дополнительный электрод выполнен с выступом, направленным в сторону полости катодной камеры, при этом осевое отверстие образовано в выступе дополнительного электрода.

13. Источник ионов по п.12, отличающийся тем, что выступ дополнительного электрода выполнен в форме усеченного конуса.

14. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что поджигной электрод, расположенный в катодной полости, электрически соединен с полым анодом через переменный резистор.

15. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что стенки катодной камеры подключены к отрицательному полюсу первого источника напряжения, а полый анод - к его положительному полюсу и положительному полюсу второго источника напряжения, отрицательный полюс которого заземлен.

16. Источник ионов по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве поджигного электрода используется газоввод катодной камеры, который электроизолирован от последней.

17. Способ работы плазменного источника ионов, при осуществлении которого предварительно вводят рабочее плазмообразующее вещество через газоввод, размещенный в полости катодной камеры плазменного источника ионов, и подают напряжение на подвижной электрод, установленный в полости катодной камеры, на стенки катодной камеры и на полый анод, образующий анодную камеру, которая сообщена с катодной камерой через выходное отверстие последней, отличающийся тем, что в полостях катодной и анодной камер создают магнитное поле с вектором индукции преимущественно осевого направления, при этом величины напряжений выбирают достаточными для предварительного зажигания электрического разряда в полости катодной камеры между ее стенками и поджигным электродом и для последующего зажигания электрического разряда между катодной и анодной камерами через отверстие, выполненное в дополнительном электроде, который электроизолирован от полого анода и от катодной камеры и установлен в выходном отверстии последней, причем диаметр d указанного отверстия выбирают не более 0,1D, где D - максимальный внутренний поперечный размер полого анода.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что величина индукции магнитного поля спадает от стенок анодной и катодной камер к их продольной оси симметрии и в направлении к их выходным отверстиям.

19. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что в полости анодной камеры создают магнитное поле с вектором индукции, имеющим противоположное направление по отношению к вектору индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

20. Способ по п.17 или 18, отличающийся тем, что в полости анодной камеры создают магнитное поле с вектором индукции, имеющим одинаковое направление с вектором индукции магнитного поля в полости катодной камеры.

21. Способ по любому из пп.17 - 20, отличающийся тем, что величину извлекаемого ионного тока и/или величину энерговклада в разряд регулируют путем выбора сопротивления переменного резистора, включенного в электрическую цепь между полым анодом и поджигным электродом.

22. Способ по любому из пп.17 - 21, отличающийся тем, что для создания магнитного поля используют магнитную систему, выполненную в виде сборок постоянных магнитов, расположенных вдоль внешней поверхности катодной камеры либо катодной и анодной камер.

23. Способ по любому из пп.17 - 21, отличающийся тем, что для создания магнитного поля используют магнитную систему, образованную электромагнитными катушками.

24. Способ по любому из пп.17 - 23, отличающийся тем, что извлечение ионов из анодной камеры осуществляют с помощью электростатической системы, включающей в свой состав эмиссионный электрод, находящийся под плавающим потенциалом, ускоряющий и замедляющий электроды.

25. Способ по любому из пп.17 - 24, отличающийся тем, что в качестве поджигного электрода используют газоввод катодной камеры, электроизолированный от стенок катодной камеры, при этом на газоввод подают напряжение положительной полярности.

26. Способ по любому из пп.17 - 25, отличающийся тем, что химически активный плазмообразующий газ подают через дополнительный газоввод, расположенный в анодной полости, а через газоввод катодной камеры подают инертный плазмообразующий газ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3