Ионный источник

(51) МПК (2009) 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) Источник ионов, 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 13847 1 2010.12.30 для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа, 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, 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,отличающийся тем, что корпус внутренней магнитной системы выполнен с прозрачностью боковой стенки от 30 до 40 в виде равноотстоящих друг от друга столбиков с зазором от 12 до 16 мм и высотой менее двух третьих высоты полого катода. 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, в частности для проведения операций травления покрытий обрабатываемых деталей и напыления тонких пленок. Разнообразие конструкций источников ионов и принципов их функционирования обусловлено постоянно возрастающими требованиями, формирующимися во время перманентно протекающего научно-технического прогресса 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. Этот ионный источник обладает недостатком, заключающимся в том, что газовый разряд в нем имеет сравнительно высокое напряжение, а это вызывает интенсивное распыление электродов ионного источника, особенно в области контрагирующей щели, что, в свою очередь, ускоряет износ его узлов. Кроме того, 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. Эти недостатки частично устранены в ионном источнике, включающем анод, полый катод, ускоряющий электрод, эмиссионный электрод, внутреннюю магнитную систему,заключенную в корпус и осесимметрично расположенную внутри полого катода возле верхнего фланца, внешнюю магнитную систему и дополнительную магнитную наружную систему 4. Однако этот ионный источник имеет также недостатки, заключающиеся в том, что при увеличении тока разряда более 0,5 равномерность плотности тока пучка по сечению ухудшается из-за большей концентрации плазмы в анодной области. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ионный источник, описанный в 5. Ионный источник, включающий 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,внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично располо 2 13847 1 2010.12.30 женную 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, 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. В этом источнике частично устраняется неоднородность плотности тока пучка по сечению за счет увеличения плотности плазмы по периферии эмиссионной границы. Однако сосредоточение плотной анодной плазмы в области контрагирующего отверстия и ее ограничение по периферии стенкой внутренней магнитной системы по-прежнему остается причиной более высокой плотности ионного пучка в приосевой окрестности сечения. Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности получения широких пучков ионов кислорода диаметром до 300 мм с равномерной плотностью по поперечному сечению независимо от значения тока разряда. 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,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, 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, новым, по мнению авторов, является то, что корпус внутренней магнитной системы выполнен с прозрачностью боковой стенки от 30 до 40 в виде равноотстоящих друг от друга столбиков с зазором от 12 до 16 мм и высотой менее двух третьих высоты полого катода. Новым, по мнению авторов, является то, что внутренняя магнитная система размещается внутри корпуса с частично прозрачной боковой стенкой. Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 схематически изображены ионный источник и его поперечное сечение в области внутренней магнитной системы. На фиг. 2 изображены график радиального распределения плотности тока пучка ионов прототипа (кривая 2) и ионного источника с прозрачностью в 36 боковой стенки внутренней магнитной системы (кривая 1) при токе разряда р 1,2 и ускоряющем напряжении уск 1 кВ. 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 (на чертеже не показано), в которое введен анод 1. Внутри полого катода 2 расположена осесимметричная внутренняя магнитная система 11, снабженная корпусом 12. 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 11 ориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу. Для обеспечения рабочих режимов 3 13847 1 2010.12.30 ионного источника магнитные системы достаточно собрать из ферритовых постоянных магнитов (на чертеже 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 от друга внутри каждой магнитной системы с зазорами между магнита,не превышающими их характерного поперечного размера. Магниты внутренней магнитной системы 11 расположены внутри корпуса 12, боковая стенка которого имеет вид равноотстоящих столбиков и имеет прозрачность 36 для случая, приведенного на сечении фиг. 1, где общее число столбиков равняется двенадцати, а в общем случае может составлять от 30 до 40 . Зазор между столбиками может варьироваться от 12 до 16 мм, так для случая на фиг. 1 он составляет 14 мм. Высота столбиков не должна превышать двухтретей от высоты полого катода 2 и для случая на фиг. 1 составляет 30 мм при высоте катодной полости 80 мм. Возле боковой стенки 13, внутри полого катода 2, расположен дополнительный электрод 7 в виде цилиндра из мелкоячеистой сетки из немагнитной стали. 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 чертеже не показаны), обеспечивающими прозрачность около 50 каждого. Эти отверстия (на чертеже 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 14. 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 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 увеличивается и неравномерность по сечению плотности тока пучка с максимумом по оси. Радиальное распределение плотности тока пучка измеряется при помощи подвижного зонда Ленгмюра. Внутренняя магнитная система 10, внешняя магнитная система 5 и дополнительная магнитная система 6 предназначены для устранения этого недостатка. Однако по мере роста тока разряда ( 0,5 ) такая конфигурация магнитных систем оказывается недостаточной для формирования однородного по сечению пучка ионов. При увеличении отрицательного потенциала дополнительного электрода 7 до 5060 В неоднородность плотности тока по сечению ионного пучка уменьшается и не превышает 2(фиг. 2 кривая 1). Причем однородность плотности тока не зависит от значения тока разряда при зазоре в 4 мм между дополнительным электродом 7 и боковой стенкой 13 полого катода 2 для случая на фиг. 1. Для сравнения на фиг. 2 (кривая 2) приведено распределение плотности тока по сечению пучка для случая, когда корпус магнитной системы состоял из сплошной боковой стенки (в случае прототипа). Здесь неоднородность по сечению пучка достигает 5 и обусловлена повышенной плотностью плазмы в приосевой окрест 4 13847 1 2010.12.30 ности эмиссионной поверхности и по ее периферии. В предлагаемом источнике ионов этот недостаток исключен за счет обеспечения диффузионного протекания анодной плазмы через проемы в боковой стенке корпуса 12 внутренней магнитной системы 11 на периферию катодной плазмы без ухудшения условий для ионизационных процессов в разряде. Размер зазораимеет нижний и верхний предел значений. При зазоре, меньшем чем две толщины катодного слоя, катодная и анодная плазмы экранируются друг от друга. С другой стороны, удаление магнитов внутренней магнитной системы приводит к ухудшению условий для ионизационных процессов в разряде источника ионов. При 1216 мм оба условия являются сбалансированными и обеспечивают положительный эффект без изменения газоразрядных процессов по сравнению с прототипом. Прозрачность боковой стенки корпуса 12 внутренней магнитной системы 11 также должна обеспечивать смыкание анодной и катодной плазмы без ухудшения условий протекания газоразрядных процессов. В рассматриваемых экспериментальных условиях это происходит при прозрачности от 30 до 40 . При меньшей прозрачности возрастает неоднородность плотности тока по сечению. При большей прозрачности ухудшаются условия генерации анодной плазмы и наблюдается дисбаланс в работе каскадов разряда ионного источника. Минимальная высота боковой стенки корпуса 12 определяется конструктивными особенностями, среди которых - обеспечение теплоотвода от внутренней магнитной системы 11 и доступность проведения профилактических операций. Максимальная высота боковой стенки корпуса 12 определяется отсутствием ее влияния на равномерность плотности тока пучка по сечению (в т.ч. из-за теневого эффекта). Этого не происходит, если высота боковой стенки корпуса не превышает двух третьих от высоты катодной полости 2, которая определяет и расстояние от анодной плазмы до эмиссионной границы, в т.ч. Таким образом, выполнение корпуса внутренней магнитной системы в виде равноотстоящих друг от друга столбиков с зазоромот 12 до 16 мм, высотой , меньшей двух третьих высоты полого катода, и частотой расположения столбиков, обеспечивающей прозрачность боковой стенки внутренней магнитной системы от 30 до 40 , расширяет возможности использования предлагаемого ионного источника для равномерного травления покрытий обрабатываемых деталей в оптике, микроэлектронике и наноэлектронике,особенно в случае процессов, критичных к наноразмерным уровням неравномерности поверхности (например, содержащих квантовые ямы и точки или служащих рассеивающими поверхностями в миниатюрных оптических гироскопах).-. , . 379 . 2. А.с. СССР 854192, 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. Стогний А.И., Корякин С.В. Широкоапертурный источник ионов кислорода с холодным катодом и магнитными мультиполями // Приборы и техника эксперимента. - 2000.6. - С. 64-67. 5. Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Пашкевич М.В. Ионный источник Патент 11305,(прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6