Ионный источник

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Новицкий Николай Николаевич Пашкевич Михаил Викторович Стогний Александр Иванович Труханов Алексей Валентинович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Ионный источник, содержащий полый катод, закрытый сверху фланцем с выполненным в последнем осевым контрагирующим отверстием, в котором размещен анод с осевым отверстием для напуска рабочего газа эмиссионный и ускоряющий электроды с отверстиями для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа, дополнительный электрод,выполненный в виде цилиндра из сетки из немагнитной стали и расположенный внутри полого катода с зазором между их боковыми поверхностями, составляющим от 2 до 6 мм внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично расположенную внутри полого катода напротив фланца, первую и вторую внешние магнитные системы, размещенные по наружной боковой поверхности полого катода и ориентированные одноименными полюсами к центру последнего, причем одноименные полюса первой 15032 1 2011.10.30 внешней магнитной системы и внутренней магнитной системы ориентированы навстречу друг другу, отличающийся тем, что в зазор контрагирующего отверстия, образованный фланцем полого катода и анодом, помещен электроизолятор, например, керамический,выполненный в виде кольца с отверстием для анода. Изобретение относится к газоразрядным устройствам для получения интенсивных широкоапертурных пучков ионов различных газов равномерной по поперечному сечению плотности и предназначено к использованию в ионно-лучевых технологиях и для научных исследований в вакууме, в том числе в опто- и микроэлектронной промышленности, например, для проведения операций травления и осаждения тонких пленок широко известным методом ионно-лучевого распыления. Конструкции источников ионов и принципы их функционирования отличаются широким разнообразием, что предопределяется их востребованностью в современных научных исследованиях и наукоемком производстве 1. Известен ионный источник, содержащий анод, промежуточный электрод с кольцевой контрагирующей щелью, магнитную систему броневого типа, источник питания, положительный вывод которого соединен с анодом, полый катод 2. Ионный источник обладает недостатком, который заключается в том, что газовый разряд в нем имеет сравнительно высокое напряжение, это вызывает интенсивное распыление электродов контрагирующей щели ионного источника и, как следствие, отклонение от первоначальных размеров, обеспечивающих рабочие условия ионного источника. Этот ионный источник не обеспечивает широких пучков равномерной плотности Известен также ионный источник, содержащий анод и катод тлеющего разряда,экранный ускоряющий и замедляющий электроды ионно-оптической системы, тепловой экран, газовый ввод, нейтрализатор, кольцевые сборки из постоянных магнитов 3. Этот ионный источник имеет недостатки, заключающиеся в сложности конструкции, а также в том, что он не позволяет получать пучок однородных ионов диаметром больше 70 мм. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ионный источник 4, содержащий полый катод, закрытый сверху фланцем с выполненным в последнем осевым контрагирующим отверстием, в котором размещен анод с осевым отверстием для напуска рабочего газа эмиссионный и ускоряющий электроды с отверстиями для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа, дополнительный электрод,выполненный в виде цилиндра из сетки из немагнитной стали и расположенный внутри полого катода с зазором между их боковыми поверхностями, составляющим от 2 до 6 мм внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично расположенную внутри полого катода напротив фланца, первую и вторую внешние магнитные системы, размещенные по наружной боковой поверхности полого катода и ориентированные одноименными полюсами к центру последнего, причем одноименные полюса первой внешней магнитной системы и внутренней магнитной системы ориентированы навстречу друг другу. В этом источнике частично устраняется неоднородность плотности тока пучка по сечению за счет увеличения плотности плазмы по периферии эмиссионной границы при формировании пучков ионов различных газов, включая кислород, диаметром поперечного сечения до 300 мм. Однако сосредоточение плотной анодной плазмы в области контрагирующего отверстия, особенно с увеличением тока разряда от 10,5 А, обусловленное спецификой двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления источника ионов, приводит к интенсивному распылению контрагирующего отверстия и загрязнению ионного пучка продуктами распыления. Задачей заявляемого изобретения является снижение уровня примесей в виде продуктов распыления контрагирующего отверстия при получении широких пучков ионов кислорода. 2 15032 1 2011.10.30 Поставленная задача достигается в ионном источнике, содержащем полый катод, закрытый сверху фланцем с выполненным в последнем осевым контрагирующим отверстием, в котором размещен анод с осевым отверстием для напуска рабочего газа, эмиссионный и ускоряющий электроды с отверстиями для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа дополнительный электрод, выполненный в виде цилиндра из сетки из немагнитной стали и расположенный внутри полого катода с зазором между их боковыми поверхностями,составляющим от 2 до 6 мм внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично расположенную внутри полого катода напротив фланца, первую и вторую внешние магнитные системы, размещенные по наружной боковой поверхности полого катода и ориентированные одноименными полюсами к центру последнего, причем одноименные полюса первой внешней магнитной системы и внутренней магнитной системы ориентированы навстречу друг другу. Новым, по мнению авторов, является то, что в зазор контрагирующего отверстия, образованного фланцем полого катода и анодом, помещен электроизолятор, например, керамический, выполненный в виде кольца с отверстием для анода. Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 схематически изображен ионный источник. На фиг. 2 показан для макета источника ионов после последовательной эксплуатации длительностью 382 часа в одинаковых условиях при токе разряда 10,6 А и ускоряющем напряжении уск 1,5 кВ внешний вид области контрагирующего отверстия без керамического изолятора (фиг. 2, а) и с керамическим изолятором в зазоре контрагирующего отверстия (фиг. 2, б) и характерного участка боковой стенки полого катода (фиг. 2, в) одинаковый для данных конструкций. Ионный источник содержит анод 1, полый катод 2, эмиссионный электрод 3, ускоряющий электрод 4, внешнюю магнитную систему 5 и дополнительную магнитную систему 6, дополнительный электрод 7, изолятор 8 между анодом 1 и фланцем 9 и изолятор 10 между дополнительным электродом 7 и фланцем 9. Со стороны анода 1 полый катод 2 закрыт фланцем 9 с осевым контрагирующим отверстием 11, в которое введен анод 1, а в зазор(на фигурах не показано) контрагирующего отверстия 11, образованного фланцем полого катода и анодом, помещен керамический изолятор 12. Внутри полого катода 2 расположена осесимметричная внутренняя магнитная система 13, снабженная корпусом 14. Внешняя магнитная система 5 и дополнительная магнитная система 6 ориентированы одноименными полюсами к центру полого катода 2. Внешняя магнитная система 5 и внутренняя магнитная система 13 ориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу. Для обеспечения рабочих режимов ионного источника магнитные системы достаточно собрать из ферритовых постоянных магнитов (на фигурах не показаны) с величиной магнитной индукции каждого не менее 15 мТл и размерами, обеспечивающими объем в 12 см 3 каждого, потом равномерно их расположить друг относительно друга внутри каждой магнитной системы с зазорами между магнитами, не превышающими их характерного поперечного размера. Дополнительный электрод 7 изготовлен в виде цилиндра из мелкоячеистой сетки из немагнитной стали и располагается возле боковой стенки 15 внутри полого катода 2 с зазором между их боковыми поверхностями в 6 мм. Осевое отверстие в аноде 1 служит для напуска рабочего газа (чаще всего кислорода). Эмиссионный 3 и ускоряющий 4 электроды изготовлены из листов титана, которые равномерно перфорированы отверстиями (на фигурах не показаны), обеспечивающими прозрачность около 50 каждого. Эти отверстия (на фигурах не показаны) служат для отбора ионов в пучок и для откачки рабочего газа из ионного источника Эмиссионный электрод 3 и ускоряющий электрод 4 соединяются изолятором 16. Ионный источник работает следующим образом. Разряд возбуждается кратковременным увеличением расхода газа после подачи напряжения 400 В между анодом 1 и полым катодом 2,100 В между полым катодом 2 3 15032 1 2011.10.30 и ускоряющим электродом 4. В последующие 20-30 минут происходит стабилизация режима горения разряда и корректируются рабочие значения расхода кислорода, тока разряда и извлекающего напряжения. В ионном источнике разряд имеет неоднородную и характерную для двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления с холодным полым катодом 2 структуру. Разрядное напряжение сосредоточено, в основном, в области катодного падения потенциала у стенок полого катода 2 (от 200 до 300 В, в зависимости от рабочего режима ионного источника) и в двойном электрическом слое (до 40 В). Двойной электрический слой разделяет катодную и анодную плазмы. Генерация заряженных частиц в разряде происходит как в катодной, так и в анодной областях газоразрядной плазмы. Формирование эмиссионной границы обуславливают два фактора ионы из относительно равномерной плазмы внутри полого катода 2 и неравномерный поток ионов из анодной плазмы, ускоренный полем двойного слоя в направлении эмиссионной границы. По мере роста тока разряда неоднородность анодной плазмы увеличивается и вместе с ней и неравномерность по сечению плотности тока пучка с максимумом по оси. Внутренняя магнитная система 13, внешняя магнитная система 5 и дополнительная магнитная система 6 предназначены для устранения этого недостатка. Однако по мере роста тока разряда( 0,5 А) такая конфигурация магнитных систем оказывается недостаточной для формирования однородного по сечению пучка ионов. При подаче отрицательного потенциала до 5060 В относительно полого катода 2 на дополнительный электрод 7 происходит улучшение равномерности плотности тока пучка ионов и неоднородность плотности тока по сечению ионного пучка уменьшается и не превышает 5 . Дополнительный электрод 7 находится под отрицательным потенциалом относительно остальных электродов полого катода 2, в области сильного магнитного поля, создаваемого внешней магнитной системой 5, и сам подвергается катодному распылению, на нем собираются продукты эрозии других электродов ионного источника, в том числе из областей, обрабатываемых ионным пучком. Продукты эрозии и распыления через ячейки в сетке дополнительного электрода 7 втягиваются магнитным полем в зазор между сеткой и боковой стенкой и собираются на поверхности последней 15 (фиг. 2, в). Этим предотвращается накопление продуктов эрозии и распыления в рабочей зоне внутри ионного источника, вызывающее при длительной непрерывной эксплуатации изменение режимов его работы и эмиссии. По мере накопления этих электропроводящих и магнитных примесей происходит замыкание электродов (7 и 15), что фактически ограничивает срок службы источника ионов до проведения регламентной очистки. В случае условий эксплуатации, указанных выше для примеров на фиг. 2, он составил 382 ч. Однако сравнительные испытания макета источника ионов выявили, что при работе без керамического изолятора 12 на внутренней поверхности фланца 9, примыкающей к контрагирующему отверстию 11, образуется глубокая канавка 17 правильной круглой формой (фиг. 2, а). Канавка образуется из-за вытеснения плотной анодной плазмы из приосевой области и наиболее интенсивного распыления поверхности в области смыкания катодного и двойного слоя. В этой же области интенсивно протекают и негативные процессы ионизации распыленного материала. Ионизированные продукты распыления, в свою очередь, загрязняют ионный пучок газов (в нашем случае кислорода). Для устранения этого недостатка в фланце 9 было расширено контрагирующее отверстие 11 до наружной стенки канавки 17, а образовавшийся зазор при неизменности остальных размеров был закрыт керамическим изолятором 12 (фиг. 1 и фиг. 2, б) Сравнительные испытания показали, что срок службы макета источника ионов до замыкания электродов 7 и 15 увеличился незначительно, рабочие режимы остались неизменными с точностью до 5 при токе разряда 10,5 А, но при этом формирование области распыления, подобной канавке 17 на фиг. 2, а, не наблюдалось. Сравнение данных масс-спектров пучков ионов для рассматриваемых случаев показало, что в первом случае общее содержание ионов металлических примесей может достигать 1,6 , а при наличии керамического изолятора 12 оно не превышает 0,7 в диапазоне 1 от 0,5 до 1,2 А при рабочем давлении менее 0,01 Па. 4 15032 1 2011.10.30 Таким образом, наличие в зазоре контрагирующего отверстия 11, образованного фланцем полого катода и анодом, керамического изолятора 12 позволяет рассредоточить плотную анодную плазму далее от области контрагирующего отверстия 11, особенно с увеличением тока разряда от 10,5 А при формировании интенсивных однородных по сечению пучка ионов диаметром до 300 мм, исключить интенсивное распыление стенок контрагирующего отверстия и существенно уменьшить загрязнение ионного пучка ионизированными металлическими примесями продуктов распыления области контрагирующего отверстия 11. Это расширит возможности использования предлагаемого ионного источника для задач ионного облучения и распыления в оптике и микроэлектронике. Источники информации 1... . . (.) / -. , , 2004. - 379 . 2. А.с. 854192 СССР МПК 301 3/04,01 27/04. Опубл. 23.11.83. Бюл.43. 3. Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Радковский Г.В. Источник широких однородных пучков низкоэнергетичных (0,5 кэВ) газовых ионов // Приборы и техника эксперимента. - 2000.2. - С. 113-118. 4. Патент 11305 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5