RU1774391C - Duoplasma-type ion source - Google Patents

Abstract

Использование: плазменные источники ионов, например, дл  ионно-лучевой технологии . Сущность изобретени : отверсти  в электродах дуоплазмотронного источника ионов выполнены пр моугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии. Полость промежуточного электрода, в которой размещены испаритель рабочего вещества и прот женный вдоль щелевых отверстий пр моканальный термоэмиссионный катод, симметрична относительно плоскости симметрии щелевых отверстий в электродах ду- оплазмотрона и в извлекающем электроде. Данное выполнение позвол ет увеличить извлекаемый ионный ток за счет увеличени  площади плазменного эмиттера с высокой плотностью.2 ил.Usage: plasma ion sources, for example, for ion beam technology. SUMMARY OF THE INVENTION: holes in electrodes of a duoplasmotron ion source are made in a rectangular slot-like shape with a common plane of symmetry. The cavity of the intermediate electrode, in which the evaporator of the working substance is located and the direct-channel thermoemission cathode extended along the slit openings, is symmetrical with respect to the plane of symmetry of the slit openings in the double-plasma inspection electrodes and in the extraction electrode. This embodiment allows an increase in the extracted ion current due to an increase in the area of the high-density plasma emitter. 2 ill.

Description

Предлагаемое устройство относитс  к плазменным источникам ионов и может быть использовано в ионно-лучевой технологии получени  углеродных и других пленок , легировани  полупроводников и других област х материаловедени .The proposed device relates to plasma ion sources and can be used in ion-beam technology for producing carbon and other films, doping semiconductors and other areas of material science.

Известен источник ионов углерода, содержащий вольфрамовый катод косвенного накала и анод, помещенные во внешнее магнитное поле, расположенное в разр дной камере.A carbon ion source is known comprising an indirect glow tungsten cathode and an anode placed in an external magnetic field located in a discharge chamber.

Вдоль оси разр дной камеры установлена выходна  щель пр моугольного сечени . Рабочим веществом  вл ютс  газы С02, СО. Так как извлечение ионов происходит с границы однородной плазмы перпендикул рно магнитному полю, плотность извлекаемых ионов невысока и дл  получени  приемлемого тока используетс  щель с большим сечением. Источник позвол ет получать ток ионов углерода 10 мА. но характеризуетс  нужной экономичностью иAn exit slot of a rectangular cross section is mounted along the axis of the discharge chamber. The working substance is CO2, CO. Since the extraction of ions occurs from the boundary of a uniform plasma perpendicular to the magnetic field, the density of the extracted ions is low and a slit with a large cross section is used to obtain an acceptable current. The source provides a carbon ion current of 10 mA. but characterized by the necessary efficiency and

большим газовыделением в операционную вакуумную камеру.large gas release into the operating vacuum chamber.

Известен более экономичный плазменный источник ионов углерода, который содержит стержневой катод, расположенный параллельно оси разр дной камеры,  вл ющейс  анодом, помещенный по внешнее магнитное поле.A more economical plasma source of carbon ions is known which contains a rod cathode parallel to the axis of the discharge chamber, which is the anode, placed in an external magnetic field.

Параллельно катоду расположена выходна  щель пр моугольного сечени . Газообразным рабочим веществом  вл ютс  газы СО, СОг. Источник позвол ет получать 2-3 мА тока ионов углерода.In parallel with the cathode is an exit slit of a rectangular cross section. The gaseous working medium is CO, COg. The source allows to obtain 2-3 mA of carbon ion current.

Недостатком приведенных устройств  вл етс  относительно небольшой ток ионов углерода, большое содержание примесей в извлекаемом пучке ионов.The disadvantage of the above devices is the relatively low current of carbon ions, the high content of impurities in the extracted ion beam.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа  вл етс  источник ионов, выполненный по схеме дуоплазмотрона, работающий на твердом веществе - графите.The closest in technical essence and selected as a prototype is an ion source made according to the duoplasmatron scheme, operating on a solid substance - graphite.

,Х|, X |

IXJIxj

N СОN WITH

юYu

Источник содержит аксиально-симметричные электроды: анод с коническим экспандером (плазменный эмиттер) с отверстием и промежуточный аноде цилиндрической полостью, в которой расположен графитовый тигель в виде цилиндра с коническим основанием и каналом в вершине конуса, термокатод и экстрактор с отверстием . Тигель из рабочего вещества отделен от водоохлаждаемой поверхности промежуточного анода системой теплоизолирующих экранов.The source contains axially symmetric electrodes: an anode with a conical expander (plasma emitter) with a hole and a cylindrical cavity intermediate to the anode, in which there is a graphite crucible in the form of a cylinder with a conical base and a channel at the top of the cone, a thermal cathode and an extractor with a hole. The crucible from the working substance is separated from the water-cooled surface of the intermediate anode by a system of heat-insulating screens.

Особенностью источника  вл етс  то, что дуговой разр д возбуждаетс  непосредственно в тигле в парах углерода без вспо- могательного газа. Преимуществами дуоплазмотрона  вл ютс  высока  эффективность и плотность ионного тока, чистота ионного пучка углерода и отсутствие газового натекани  в рабочую камеру. Источник позвол ет получать до 20 мА ионного тока углерода.A specific feature of the source is that the arc discharge is excited directly in the crucible in carbon vapor without an auxiliary gas. The advantages of the duoplasmotron are its high efficiency and ion current density, the purity of the carbon ion beam and the absence of gas leakage into the working chamber. The source provides up to 20 mA of carbon ion current.

Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа,  вл етс  невозможность достижени  более высоких величин ионного тока, необходимых дл  упрощени  и удешевлени  процессов нанесени  пленок .A disadvantage of the device selected as a prototype is the inability to achieve higher ion currents necessary to simplify and reduce the cost of the film deposition processes.

Дело в том, что при заданном потенциале экстрактора существует максимальный ток ионного пучка круглого сечени , который можно сформировать аксиально-симметричной системой электродов.The fact is that for a given extractor potential, there is a maximum current of an ion beam of circular cross section, which can be formed by an axially symmetric system of electrodes.

Полный ток ионов l+, который можно извлечь с границы плазменного эмиттера, определ етс  параметрами плазмы и площадью ее границы S, с которой происходит отбор ионовThe total ion current l +, which can be extracted from the boundary of the plasma emitter, is determined by the plasma parameters and the area of its boundary S, with which the selection of ions

1+ 0,4 егнгде е и Те - зар д и температура электронов, п+ - концентраци  ионов невозмущенной плазмы вблизи отверсти .1+ 0.4 ferng e and Te is the charge and temperature of the electrons, n + is the concentration of unperturbed plasma ions near the hole.

Подставл   в формулу характерные дл  дуоплазмотрона величины: гц 1014 см 3, Те 105К и площадь плазменного эмиттера известного устройства S 8 , получим , что ионный ток углерода - примерно 20 мА. Однако дл  формировани  цилиндрического пучка аксиально-симметричной системой электродов необходимо также, чтобы выполн лось условие перекрыти  какала экстрактора ионным слоем. Оценки с учетом этого требовани  дают максимальную величину цилиндрического тока ионов углерода при извлекающем потенциале 104 В примерно 50 мА (с учетом массового состава пучка). Таким образом, видно, что известный источник ионов углерода ограничен , как по величине полного тока ионов углерода, так и по величине тока формируемого цилиндрического пучка. Кроме того,Substituting in the formula the values typical for the duoplasmotron: Hz 1014 cm 3, Te 105K and the plasma emitter area of the known device S 8, we obtain that the ionic carbon current is about 20 mA. However, in order to form a cylindrical beam with an axially symmetric system of electrodes, it is also necessary that the condition for the cocoa of the extractor to be covered by the ionic layer is fulfilled. Estimates based on this requirement give the maximum value of the cylindrical current of carbon ions at an extracting potential of 104 V of approximately 50 mA (taking into account the mass composition of the beam). Thus, it is seen that the known source of carbon ions is limited both in terms of the total current of carbon ions and in the magnitude of the current of the formed cylindrical beam. Besides,

недостатком  вл етс  то, что цилиндрический1 пучок ионов, сформированный аксиально-симметричной системой, существенно неоднороден в поперечном сечении за счет кулоновского расталкивани  ионов иThe disadvantage is that a cylindrical 1 ion beam formed by an axially symmetric system is substantially inhomogeneous in cross section due to the Coulomb repulsion of ions and

0 электронной фокусировки на оси пучка, в результате чего распределение плотности тока по сечению имеет вид, близкий к Гаус- совому. Это не позвол ет получать пленки с равной толщиной на площади подложки да5 же в пределах сечени  ионного пучка без специальных операций с подложкой или пучком.0 electron focusing on the beam axis, as a result of which the distribution of the current density over the cross section has a form close to the Gaussian one. This does not allow films with equal thickness to be obtained on the area of the substrate even within the cross section of the ion beam without special operations with the substrate or beam.

Целью насто щего изобретени   вл етс  увеличение извлекаемого ионного токаAn object of the present invention is to increase the recoverable ion current

0 при заданной степени однородности плотности тока по поперечному сечению ионного пучка за счет увеличени  площади плазменного эмиттера с высокой плотностью .0 for a given degree of uniformity of current density over the cross section of the ion beam by increasing the area of the high-density plasma emitter.

5 Указанна  цель достигаетс  тем, что в источнике ионов дуоплазмотронного типа, содержащем соосно и последовательно расположенные полый промежуточный электрод , в полость которого размещен5 This goal is achieved by the fact that in the source of ions of the duoplasm type, containing coaxially and sequentially located hollow intermediate electrode, in the cavity of which is placed

0 пр моканальный термоэмиссионный катод и испаритель рабочего вещества, анод с отверстием дл  извлечени  ионов в формуле расшир ющегос  канала, соосно контраги- рующему отверстию промежуточного элект5 рода, извлекающий электрод с соосным отверстием и магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и магнитопро- водом, полюсами которой служат анод и промежуточный электрод, согласно изобре0 тению, соосные отверсти  в промежуточном электроде, аноде и извлекающем электроде выполнены пр моугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии, при этом полость промежуточного электро5 да выполнена симметричной относительно плоскости симметрии щелевых отверстий с пр моугольным продольным сечением, причем катод выполнен прот женной вдоль щелевых отверстий формы и расположен в0 direct channel thermionic cathode and working substance evaporator, anode with a hole for extracting ions in the expanding channel formula, coaxial to the counter-hole of the intermediate electrode, extracting electrode with a coaxial hole and a magnetic system with a source of magnetomotive force and a magnetic wire whose poles are the anode and the intermediate electrode are used, according to the invention, the coaxial holes in the intermediate electrode, the anode and the extraction electrode are made of a rectangular slotted shape with a common plane with symmetry, while the cavity of the intermediate electrode is made symmetrical with respect to the plane of symmetry of the slotted holes with a rectangular longitudinal section, the cathode being made extended along the slotted holes of the form and is located in

0 плоскости симметрии отверстий.0 plane of symmetry of the holes.

Таким образом, предлагаемый источник ионов с щелевидной системой электродов предназначен дл  генерации ленточного пучка ионов и  вл етс  по существу щеле5 видным дуоплазмотроном; Это позвол ет устранить вышеуказанные недостатки прототипа и улучшить его характеристики.Thus, the proposed ion source with a slit-like electrode system is intended to generate a ribbon ion beam and is essentially a slot 5 prominent duoplasmotron; This eliminates the above disadvantages of the prototype and improves its performance.

Так согласно решени , величина полного тока пучка ионов, формируемого в щелевидной системе, пропорциональна длине аSo, according to the solution, the total current of the ion beam formed in the slit system is proportional to the length a

выходной щели, что позвол ет значительно увеличить величину ионного тока по сравнению с аксиально-симметричным дуоплаз- мотроном.exit slit, which allows a significant increase in the ion current in comparison with the axially symmetric duoplasmotron.

Кроме того ленточный пучок вдоль коор- динаты большего размера пучка имеет практически однородную плотность ионного тока, причем, степень однородности тем выше, чем больше отношение длины к ширине пучка. Отсюда следует, что необходи- мую величину максимального тока ионов и однородности ленточного пучка можно задать , выбира  соответствующий размер щели экспандера, в отличие от известных устройств.In addition, the ribbon beam along the coordinate of the larger beam has an almost uniform ion current density, moreover, the degree of homogeneity is the higher, the greater the ratio of length to beam width. It follows that the necessary value of the maximum ion current and uniformity of the ribbon beam can be set by choosing the appropriate size of the expander gap, in contrast to the known devices.

Суть предлагаемого решени  заключаетс  в следующем. Предложено увеличить величину извлекаемого тока ионов за счет увеличени  площади отбора с границы плазмы высокой плотности (n+ 10 см ), котора  образуетс  за счет контрагирова- ни  неоднородным магнитным полем. Сделать это путем увеличени  диаметра аксиального плазменного эмиттера не удаетс , так как в аксиальном источнике плазма высокой плотности расположена вдоль оси источника и ее параметры слабо и сложным образом завис т от диаметра экспандера.The essence of the proposed solution is as follows. It was proposed to increase the value of the extracted ion current by increasing the sampling area from the high-density plasma boundary (n + 10 cm), which is formed due to contraction by an inhomogeneous magnetic field. This cannot be done by increasing the diameter of the axial plasma emitter, since in a axial source high-density plasma is located along the axis of the source and its parameters depend weakly and complexly on the diameter of the expander.

Поэтому было предложено использовать плоско-симметричную систему конт- рагировани  плазмы дл  создани  щелевого плазменного эмиттера, в котором площадь границы плазмы высокой плотности пропорциональна длине щели I, т.е. при достижении равных параметров плазмы п+ и Те с аксиально-симметричным источником в плоскосимметричном источнике полный ток ионов будет в Е раз больше. Необходимые параметры плазмы были достигнуты путем выполнени  катода, тигл , промежуточного анода, канала промежуточного анода, анода, экспандера и экстрактора с пр моугольным сечением и плоскостью симметрии, проход щей через щель экспандера .Therefore, it was proposed to use a plane-symmetric plasma countercontrol system to create a slot plasma emitter in which the area of the high-density plasma boundary is proportional to the length of the gap I, i.e. when equal plasma parameters n + and Te are reached with an axially symmetric source in a plane-symmetric source, the total ion current will be E times higher. The necessary plasma parameters were achieved by making the cathode, crucible, intermediate anode, channel of the intermediate anode, anode, expander and extractor with a rectangular cross section and a plane of symmetry passing through the expander slit.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.The drawing shows a diagram of the proposed device.

Предлагаемый источник ионов содержит анод 1,  вл ющийс  магнитным полюсом , изготовленный из м гкого железа в виде цилиндра. В пр моугольный паз в центре анода вставлен экспандер 2, выполненный в виде призмы из тантала с щелью при вершине конуса размером 0,8x40 мм2. Угол конуса полости расширени  плазмы 120°. Промежуточный анод 3,  вл ющийс  внутренним магнитопроводом, изготовлен из м гкого железа и заканчиваетс  магнитным полем, имеющим пр моугольный паз 25x80 мм. Промежуточный анод 3 и анод 1The ion source according to the invention comprises an anode 1, which is a magnetic pole, made of soft iron in the form of a cylinder. An expander 2 is inserted into a rectangular groove in the center of the anode, made in the form of a tantalum prism with a slit at the apex of the cone with a size of 0.8x40 mm2. The angle of the cone of the plasma expansion cavity is 120 °. The intermediate anode 3, which is an internal magnetic circuit, is made of soft iron and ends with a magnetic field having a rectangular groove of 25x80 mm. Intermediate anode 3 and anode 1

имеют проточку 4 дл  вод ного охлаждени . Дл  создани  в зазоре между промежуточным анодом 3 и анодом 1 неоднородного магнитного пол  на промежуточный анод 3 надет соленоид 5 с внешним магнитопроводом 6. В полости 7 промежуточного анода 3, имеющей пр моугольное сечение, установлен узел испарител , содержащий графитовый тигель 8,  вл ющийс  источником рабочего пара и имеющий щелевидный канал 9 сечением 3x40 мм , систему экранов 10 из молибдена и тантала, и молибденовый корпус 11.8 полость тигл  помещен накаливаемый катод 12,из танталовой проволоки 0,8 мм, который через изол торы 13 укреплен в корпусе и соединен с токовводом 14. В корпусе 15 расположен фланец 16 дл  дополнительной откачки источника в процессе работы, что позвол ет свести газовыделение в вакуумную систему до минимума.have a groove 4 for water cooling. In order to create an inhomogeneous magnetic field in the gap between the intermediate anode 3 and the anode 1, a solenoid 5 with an external magnetic circuit 6 is put on the intermediate anode 3. An evaporator unit is installed in the cavity 7 of the intermediate anode 3, which has a rectangular cross section and contains a graphite crucible 8, which is the source working steam and having a slit-like channel 9 with a cross section of 3x40 mm, a system of screens 10 made of molybdenum and tantalum, and a molybdenum body 11.8 a crucible cavity is placed with a heated cathode 12, of 0.8 mm tantalum wire, which is strengthened through insulators 13 in the housing and connected to the current lead 14. In the housing 15 there is a flange 16 for additional pumping of the source during operation, which allows minimizing gas evolution into the vacuum system.

Рассмотрим работу источника на примере получени  ионов углерода из графита.Let us consider the operation of the source as an example of the production of carbon ions from graphite.

Нагрев графита до температуры, обеспечивающей давление его пара, необходимое дл  поджигани  и горени  дуги (10 - мм рт.ст.) осуществл етс  внутри испарител  8 в два этапа: вначале нагрев графита выполн ют термоэмиссионным электронным током путем разогрева катода и прикладывани  напр жени  между катодом 12 и тиглем 8, затем после достижени  давлени  паров углерода до необходимой величины зажигаетс  дуговой разр д и нагрев рабочего вещества осуществл етс  этим же дуговым разр дом. Одновременно с первым зажигаетс  второй дуговой разр д в промежутке катод 12 - анод 1 и дуоплаз- мотрон выходит на обычный дл  него режим работы. По сути работы щелевой дуоплаз- мотрон отличаетс  от известных аксиально- симметричных дуоплазмотронов тем, что дуговые разр ды имеют не ось симметрии, а плоскость симметрии, что обуславливает существование неоднородных областей плазмы вдоль щели. Остальные параметры плазмы (плотность, температура и др.) соответствуют характерным дл  дуоплазмотронов.The graphite is heated to a temperature providing the vapor pressure necessary for igniting and burning the arc (10 mmHg) inside the evaporator 8 in two stages: first, the graphite is heated by electron emission current by heating the cathode and applying a voltage between the cathode 12 and the crucible 8, then, after the carbon vapor pressure has reached the required value, the arc discharge is ignited and the working substance is heated by the same arc discharge. Simultaneously with the first, a second arc discharge is ignited in the gap between the cathode 12 - anode 1 and the duoplasmotron reaches its normal operating mode. In essence, the work of a gap duoplasmotron differs from the known axially symmetric duoplasmotrons in that the arc discharges have not a symmetry axis, but a plane of symmetry, which leads to the existence of inhomogeneous plasma regions along the gap. The remaining plasma parameters (density, temperature, etc.) correspond to those characteristic of duoplasmotrons.

Так, дл  генерации пучка ионов углерода с током 150 мА при ускор ющем потенциале на экстракторе 20 кВ были использованы следующие режимы. Ток накала катода 36 А, ток и напр жение промежуточного и анодного дугового разр да 20 А, 100 В и 7 А, 130 В соответственно. Магнитное поле в щели экспандера 600 Э.Thus, to generate a beam of carbon ions with a current of 150 mA at an accelerating potential on an extractor of 20 kV, the following modes were used. The cathode glow current is 36 A, the current and voltage of the intermediate and anode arc discharges are 20 A, 100 V, and 7 A, 130 V, respectively. The magnetic field in the slit of the expander 600 E.

Предлагаемый тип источника может работать как на любом газообразном веществе , вводимом в тигель через трубопровод, так и в парах других твердых веществ, которые загружаютс  в небольшие полости, еделанные в графитовом тигле. Были проведены испытани  и при средних режимах работы; получены пучки ионов следующих материалов (ток в мА в скобках): газообразных Ar(140). CH4 (120); металлов: Си (70); NI (50).The proposed type of source can operate both on any gaseous substance introduced into the crucible through a pipeline, and in vapors of other solids that are loaded into small cavities made in a graphite crucible. Tests were also carried out under medium operating conditions; ion beams of the following materials were obtained (current in mA in brackets): gaseous Ar (140). CH4 (120); Metals: Cu (70); NI (50).

В таблице приведены сравнительные характеристики известных и предлагаемого источников ионов, используемых дл  получени  ионов углерода.The table shows the comparative characteristics of the known and proposed ion sources used to produce carbon ions.

Как следует из таблицы, предлагаемый источник ионов по величине извлекаемого ионного тока значительно превышает известные источники ионов углерода (в 10 и более раз). Явл  сь по существу щелевидным Дуоплазмотроном, обладает высокой экономичностью . Ленточна  форма пучка обеспечивает большую его однородность по сравнению с прототипом.As follows from the table, the proposed ion source by the magnitude of the extracted ion current significantly exceeds the known sources of carbon ions (10 times or more). Being essentially a slit-like Duoplasmotron, it is highly economical. The tape shape of the beam provides greater uniformity compared to the prototype.

Claims (1)

Формула изобретени  Источник ионов дуоплазмотронного типа , содержащий соосно и последовательно расположенные полый промежуточный электрод, в полости которого размещены пр моканальный термоэмиссионный катодSUMMARY OF THE INVENTION A source of duoplasmotron-type ions containing a coaxially and sequentially located hollow intermediate electrode, in the cavity of which a direct-channel thermionic emission cathode is placed и испаритель рабочего вещества, анод с от- верстием дл  извлечени  ионов в форме расшир ющегос  канала, соосного контр- агирующему отверстию промежуточногоand an evaporator of the working substance, an anode with a hole for removing ions in the form of an expanding channel, coaxial to the counter-opening hole of the intermediate электрода, извлекающий электрод с соос- ным отверстием и магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и магнитопроводом, полюсами которой служат анод и промежуточный электрод, о т л ичающийс  тем, что, с целью повышени  величины извлекаемого ионного тока при заданной степени однородности плотности тока по поперечному сечению ионного пучка за счет увеличени  площади плазменного эмиттера с высокой плотностью, соосные отверсти  в промежуточном электроде, аноде и извлекающем электроде выполнены пр моугольной щелевой формы с общей плоскостью симметрии, при этом полостьan electrode that extracts an electrode with a coaxial hole and a magnetic system with a magnetomotive force source and a magnetic circuit whose poles are an anode and an intermediate electrode, which, in order to increase the magnitude of the extracted ion current at a given degree of transverse current density uniformity the cross section of the ion beam due to the increase in the area of the high-density plasma emitter, the coaxial holes in the intermediate electrode, anode, and extraction electrode are made of rectangular slotted shape with a common first plane of symmetry, wherein the cavity промежуточного электрода выполнена симметричной относительно плоскости симметрии щелевых отверстий с пр моугольным продольным сечением, причем катод выполнен прот женной вдоль щелевых отверстийthe intermediate electrode is made symmetrical relative to the plane of symmetry of the slotted holes with a rectangular longitudinal section, and the cathode is made extended along the slotted holes формы и расположен в плоскости симметрии отверстий.shape and is located in the plane of symmetry of the holes. 15fifteen