Низкоэнергетичный ионный источник

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Свирин Василий Тимофеевич(57) Низкоэнергетичный ионный источник, содержащий корпус, в одном из торцов которого выполнено отверстие, катод, расположенный вне корпуса со стороны торца с отверстием, расположенный в корпусе анод с коническим отверстием, ось которого проходит через центр отверстия в корпусе, большим основанием конуса, обращенным к торцу корпуса с отверстием, узел подачи газа в полость между анодом и катодом,расположенный вблизи анода со стороны противоположной катоду, канал подачи газа, средство создания в полости магнитного поля, отличающийся тем, что узел подачи газа выполнен в виде электроизолированной от корпуса и анода вставки с конической полостью, имеющей общую образующую с коническим отверстием анода, высотой Н, удовлетворяющей условию (0,20,3)(0,50,6), где- высота анода, при этом вставка вакуумноплотно соединена с анодом и каналом подачи газа. Фиг. 1. Изобретение относится к области получения ионных пучков, конкретно к оборудованию для нанесения вакуумных покрытий с применением ионного ассистирования, реактивного травления, модификации поверхности обрабатываемых деталей и других технологических процессов. Известен источник ионов (ИИ) Кауфмана 1. Его конструкция включает цилиндрическую разрядную камеру, внутри которой находится катод, эмиттирующий электроны, электромагнитную систему, устройство газонапуска, электростатическую систему извлечения. Анодом служит часть разрядной камеры. Электромагнитная система создает продольное и периферийное мультипольное магнитное поле. Многоячеистая система извлечения ионов закрывает разрядную камеру с обра 2013 1 щенного к вакуумному объему торца. Эффективность извлечения ионов из данного ИИ ограничена законом степени трех-вторых. Согласно этому закону увеличение плотности тока ионного пучка требует увеличения ускоряющего напряжения или совершенствования конструкции системы извлечения. Первый путь непригоден при формировании низкоэнергетических пучков ионов, а второй путь ограничивает ресурс работы ИИ десятком часов. Известен также ионный источник 2, содержащий корпус, в одном торце которого выполнено отверстие,анод в виде полого тела с внутренней конической поверхностью, ось которого проходит через центр отверстия, большим основанием обращенный к торцу корпуса с отверстием, причем анод удален от катода, узел подачи газа в полость между анодом и катодом, расположенный вблизи анода на стороне противоположной катоду, канал подачи газа, средство создания в упомянутой полости магнитного поля. Узел подачи газа в таком источнике выполнен в виде плоского диска с отверстиями, соосного аноду. Между диском и выходом канала подачи газа, а также между диском и анодом имеются зазоры для подачи газа через кольцевой зазор вне разрядного объема, которым является полость между катодом и анодом. Такая конструкция позволяет внутри корпуса формировать низкоэнергетичный поток ионов в направлении выхода в вакуум (торец корпуса с отверстием), составляющий вне ИИ ионный пучок. Недостатком известного ИИ является следующее. Область, примыкающая к торцу анода со стороны узла подачи газа, является областью повышенного давления. Так как вероятность ухода электронов из разрядного объема возрастает с увеличением давления, то с целью снижения потерь электронов часть потока газа подается через кольцевой зазор вне разрядного объема. Эта часть газа в процессах ионообразования не участвует, что приводит к снижению газовой экономичности, пропорциональной отношению тока ионного пучка к потоку газа, подаваемого в ИИ. Кроме того, повышенный уход электронов вызывает увеличение разрядного напряжения одновременно с уменьшением ионного пучка, т.е. снижает электрическую экономичность ИИ. Задачей изобретения является увеличение электрической и газовой экономичностей источника и, как следствие, повышение качества обрабатываемых изделий, поскольку техпроцесс идет при более высоком вакууме, и экономия электроэнергии. Поставленная задача достигается тем, что в известном источнике, джащем корпус, в одном из торцов которого выполнено отверстие, катод, расположенный вне корпуса со стороны торца с отверстием,расположенный в корпусе анод с коническим отверстием, ось которого проходит через центр отверстия в корпусе, большим основанием конуса обращенный к торцу корпуса с отверстием, узел подачи газа в полость между анодом и катодом, расположенный вблизи анода со стороны противоположной катоду, канал подачи газа, средство создания в полости магнитного поля - узел подачи газа выполнен в виде электроизолированной от корпуса и анода вставки с конической полостью, имеющей общую образующую с коническим отверстием анода высотой Н, удовлетворяющей условию (0,20,3)(0,50,6), где- высота анода,при этом вставка вакуумноплотно соединена с анодом и каналом подачи газа. Суть изобретения состоит в том, что с введением вставки с конической полостью, вакуумноплотно присоединенной к аноду и каналу подачи газа, весь поток газа, подаваемый в ИИ, проходит вдоль всего разрядного промежутка. В прототипе газовая экономичность оценивается выражением 11/общ 11/(12),где общ - величина потока газа, подаваемого в ИИ 1 - величина потока газа, проходящего через разрядный объем 2 - величина потока газа, проходящего вне разрядного объема 1 - коэффициент, отражающий преобразование потока газа в пучок ионов./ Так как в предлагаемом устройстве весь поток газа проходит через разрядный объем общ 1 , по/ этому 22 1 /общ 2, отсюда очевидно 21 с учетом того, что коэффициент преобразования предла гаемого устройства 2 больше коэффициента преобразования прототипа 1, т.к. в предлагаемом ИИ длина разрядного промежутка больше примерно на высоту конической вставки, поэтому время нахождения нейтралей в области ионообразования больше и, следовательно, больше вероятность ионизации, а из образовавшихся внутри вставки ионов лишь незначительное количество уходит на ее стенки, т.к. вставка находится под плавающим потенциалом, подавляющая часть ионов выходит в пучок, что еще более повышает экономичность . Электрическая экономичностьу предлагаемого источника также выше. В прототипе электроны, осциллирующие вдоль магнитных силовых линий, уходят на анод в результате столкновений. Как указано в работе 2, соотношение электрических проводимостейв параллельном и перпендикулярном магнитному полю направлениях определяется следующим выражением/(/)2 ,где- электронная циклотронная частота- частота электрон-атомных соударений. 2 2013 1 В прототипе давление в области анода выше, следовательно больше частота соударений, т.к. частота соударений пропорциональна давлению. Из приведенной формулы видно, что проводимость плазмы в направлении анода (т.е. уход электронов на анод) растет пропорционально квадрату давления в области,ограниченной конической поверхностью анода. В предлагаемом источнике область повышенного давления ограничена стенками вставки, находящейся под отрицательным потенциалом относительно анода, что значительно снижает уд электронов на анод. На фиг.1 представлено схематическое изображение варианта заявляемого устройства на фиг.2 изображены графики зависимости тока пучка ИИ(а), напряжения разряда (б), газовой экономичности (в) от соотношения высот вставки и анода. Низкоэнергетичный ионный источник содержит корпус 1, выполненный из магнитомягкой стали Ст 20, накаливаемый катод 2, представляющий собой спираль вольфрамовой проволоки диаметром 0,6 мм, блок питания катода 3 для поддержания термоэмиссии с катода - тиристорный фазовый регулятор переменного тока, анод 4 из нержавеющей стали высотойс коническим отверстием, большим основанием конуса, обращенный к катоду 2,блок питания анода 5, представляющий собой стабилизатор тока на тиристорах. Он предназначен для поддержания разряда между катодом и анодом 4. Узел подачи газа включает электроизолированную от корпуса и анода вставку 6, высотой , выполненную из графита, с конической полостью, имеющей общую образующую с коническим отверстием анода. Положительная клемма блока питания 5 подключена к аноду 4, отрицательная - к корпусу 1. Выходные клеммы блока питания катода 3 подсоединены к концам накаливаемого катода 2. Средняя точка вторичной обмотки трансформатора блока питания катода 3 заземлена. Корпус источника 1 также заземлен. Источник содержит также металлокерамические изоляторы 7, осесимметричный сердечник 8 катушки 9 из стали 20 с высверленным в нем каналом 10 подачи газа, средство создания магнитного поля, магнитные силовые линии которого параллельны внутренней конической поверхности анода и вставки. Средством создания магнитного поля является катушка 9 с магнитной системой, состоящей из сердечника 8 и корпуса 1. Устройство работает следующим образом. Через канал 10 подачи газа подается рабочий газ (гон, кислород) в разрядный объем. Термоэмиссия электронов производится с термокатода. Электроны ускоряются в области катодного падения потенциала и инжектируются во внутрь анода, осциллируя вокруг магнитных силовых линий. При своем движении они, в результате неупругих столкновений, генерируют газоразрядную плазму. Уходу ионизирующих электронов из разрядного объема препятствуют на анод - магнитное поле, параллельное поверхности стенок анода на вставку электрическое поле области катодного падения потенциала. В результате взаимодействия электронной компоненты,образованной таким образом плазмы с внешним магнитном полем, происходит формирование внутри разрядного объема электрического поля, ускоряющего плазменные ионы в направлении выхода в вакуум, т.е. стенки корпуса с отверстием, и подпитывающего энергией ионизирующие электроны. Замыкание разрядного тока осуществляется плазменными и термолизованными электронами термоэмиссии, уходящими на анод, и ионами, частично попадающими на термокатод при формировании пучка и частично, в результате теплового движения, уходящими навставку 6. В нейтрализации объемного заряда ионного пучка участвуют электроны с термокатода, ускоренные полем катодного падения потенциала в направлении ионного пучка, и плазменные электроны, захваченные ионным пучком. Высотаи форма вставки определялись экспериментальным путем. Для вставок различной формы с высотой меньшей, чем у исходной, эффект полого катода либо проявлялся слабее, либо отсутствовал. Об эффекте полого катода судили по возможности поддерживать прежние разрядные параметры при меньших расходах газа. При использовании вставок большего объема наблюдались более нестабильные режимы горения разряда вплоть до обрывов. Условия, накладываемые на величину Н, определялись по совокупности эмиссионных(/), разрядных(/), расходных характеристик (/). Указанные зависимости приведены на фиг.2, где п - ток пучка- ток разряда,- напряжение на разряде- расход гз в стандартных кубических сантиметрах в секунду. Были проведены сравнительные испытания прототипа и предлагаемого ИИ. Результаты испытаний приведены в табл.1. Таблица 1 Давление в камере, Па 1,110-2 1,310-2 Источник прототип предлагаемый прототип предлагаемый Из таблицы видно, что предлагаемый источник имеет гораздо большую электрическую и газовую эффективность, т.е. дает больший ток пучка при одинаковом давлении и при меньшем напряжении на разряде. Предлагаемый ионный источник промышленно применим, может найти применение в технологическом оборудовании оптической, электронной, машиностроительной промышленности и научных исследованиях. 3 оставитель В.А. Тугбаев Редактор Т.А. Лущаковская Корректор С.А. Тикач Заказ 7063 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4