Многоканальный ионный источник

Многоканальный ионный источник с электродной системой, содержащей катодную корпусную и анодную части, источники магнитодвижущей силы, рабочих газов и высоковольтного электропитания, обеспечивающих разряд между катодом и анодом в скрещенных продольным магнитном и поперечном электрическом полях, в котором катодная корпусная часть имеет концентрические вакуумные каналы с кольцевыми отверстиями для выхода ионов, анодная часть состоит из находящихся в вакуумных каналах изолированных друг от друга и от катода концентрических колец под кольцевыми отверстиями в катоде, каждое из анодных колец в части поверхности, обращенной к катоду, параллельно катоду и перекрывает отверстие в нем по ширине, и подсоединено к собственному высоковольтному источнику электропитания, а каждый вакуумный канал - к собственному источнику рабочего газа таким образом, что потоки ионов, выходящие через отверстия в катоде, складываются на выходе источника ионов и образуют единый пучок ионов. При необходимости получения расходящегося под углом пучка ионов система электродов может быть выполнена с наклоном под углом к выходной плоскости ионного источника.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам для получения ионных пучков, и может быть использовано, например, для травления или локального утонения различных материалов и структур.

Уровень техники

Требования, предъявляемые к ионному источнику, применяемому для травления или для локального утонения пластин, например, из пьезокварца с начальной толщины h=50-60 мкм до конечной толщины h3-4 мкм с целью изготовления пьезоэлектрических резонаторов, работающих по основной гармонике на частотах до 400-500 МГц, достаточно высоки: площадь обработки ионным пучком не менее 500 см², равномерность ионного тока по площади обработки на мишени без сканирования пучка - не менее +/- 2-3% при абсолютной величине плотности ионного тока до 1 мА/ см², возможность длительной непрерывной работы (16-20 часов) с реактивными, например, фторсодержащими газами; простота конструкции, надежность.

Известны многоканальные ионные источники для обработки больших площадей с максимальной равномерностью по плотности ионного тока с термоэмиссионным или холодным катодами. Источник Кауфмана /H.R.Kaufman. - The Journal of Vacuum Science and Technology. - Vol. 15, 1978, pp.272-276/ содержит разрядную камеру с термокатодом и двухсеточную систему экстракции и формирования пучка ионов с жесткой юстировкой отверстий в сетках, причем блок питания разрядной камеры находится под высоким потенциалом. Этот источник не удовлетворяет приведенным выше требованиям ввиду сложности конструкции и наличия термоэмиссионного катода, не выдерживающего длительной работы в среде реактивных газов.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является многоканальный источник с холодным катодом /А.Ф.Васильев и др. - Авторское свидетельство СССР 865043А1 - Бюл. 49 - 30.10.1991/, формируемый по принципу пчелиных сот из «элементарных» каналов, причем элементарным каналом источника служит разрядный промежуток между штыревым катодом, проходящим через отверстие в аноде, и расположенным над этим промежутком вытягивающим электродом, находящимся под потенциалом катода и имеющим отверстие для выхода ионов, соосное с отверстием в аноде, причем число таких каналов в одном источнике может составлять сотни в зависимости от диаметра ионного пучка. Данный источник также не обеспечивает требуемой стабильности работы: элементарные разрядные каналы являются множественными параллельными нагрузками, импеданс каждой из которых изначально не может быть абсолютно одинаков, а в условиях разряда в реактивных газах (образование осадков, эрозия электродов) при питании от единого высоковольтного источника, он изменяется и не поддается необходимому контролю в ходе работы.

Сущность полезной модели

Согласно заявляемой полезной модели, в многоканальном ионном источнике с электродной системой, содержащей катодную корпусную и анодную части, источники магнитодвижущей силы, рабочих газов и высоковольтного электропитания, обеспечивающих разряд между катодом и анодом в скрещенных продольным магнитном и поперечном электрическом полях, в котором катодная корпусная магнитопроводящая часть источника снабжена отверстиями для выхода ионов, образующихся в разряде между катодом и анодом, катодная корпусная часть имеет концентрические вакуумные каналы с кольцевыми отверстиями для выхода ионов, анодная часть состоит из находящихся в вакуумных каналах изолированных друг от друга и от катода концентрических колец под кольцевыми отверстиями в катоде, поверхность каждого из анодных колец, обращенная к катоду, параллельна катоду, перекрывает отверстие в катоде по ширине, и подсоединено к собственному высоковольтному источнику электропитания, а каждый вакуумный канал - к собственному источнику рабочего газа таким образом, что выходящие из каналов через отверстия в катоде потоки ионов, регулируемые независимо друг от друга по электропитанию и расходу газа, складываются на выходе источника ионов и образуют единый пучок ионов.

В случае необходимости получения расходящегося ионного пучка под углом к оси пучка система электродов заявляемого многоканального ионного источника может быть выполнена с наклоном катодной корпусной части и поверхности анодных колец под углом к выходной плоскости ионного источника при сохранении параллельности обращенных друг к другу поверхностей катода и анода.

Описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует заявляемый многоканальный ионный источник, используемый для получения однонаправленного пучка ионов.

На чертеже Фиг.2 представлен вариант реализации заявляемого многоканального ионного источника для получения расходящегося под углом пучка ионов.

Осуществление полезной модели

На чертеже Фиг.1 схематически изображен предлагаемый многоканальный ионный источник. Система электродов состоит из катода 1, выполненного из магнитомягкого материала (например, АРМКО, ст.20), являющегося одновременно корпусом источника. Катод на эмиссионной поверхности имеет кольцевые отверстия для выхода ионов и разделен на концентрические вакуумные каналы 2 перегородками 3 из немагнитного материала (например, нержавеющей стали). Внутри этих каналов под отверстиями в катоде расположены аноды 4, выполненные в виде изолированных друг от друга и от катода концентрических колец из немагнитного материала, которые по ширине перекрывают отверстие в катоде. Заявляемое устройство включает источники магнитного поля 5 (соленоид, постоянные магниты), обеспечивающие создание магнитного поля, направленного по существу вдоль эмиссионной (лицевой) части катода. Устройство также содержит блоки питания 6 по числу анодов, с которых подается независимо регулируемое высокое напряжение на каждый из анодов, а также систему напуска газа в каждый из каналов 2 с независимой регулировкой 7.

Согласно варианту реализации заявляемой полезной модели, изображенному на Фиг.2, для получения расходящегося ионного пучка под углом к оси пучка система электродов может быть выполнена наклонно под углом к выходной плоскости ионного источника при сохранении параллельности внутренних поверхностей катода и анода. При этом величина угла не превышает 45°.

Заявленный многоканальный ионный источник работает следующим образом. После размещения источника в вакуумной камере с непрерывной откачкой газа в отверстиях катода 1 создается магнитное поле. После подачи технологического газа в каналы 2 и напряжения на аноды 5 между катодом и анодами в скрещенных электрическом и магнитном полях в каналах зажигаются независимые разряды, катод выступает в качестве вытягивающего электрода и формирует потоки ионов по числу каналов, которые складываются на выходе из катода в единый пучок. Ионный ток каждого канала контролируется и регулируется независимо один от другого за счет регулирования расхода газа и напряжения питания. Лабораторными испытаниями на макетах ионного источника было подтверждено, что заявляемое устройство позволяет получить необходимую равномерность пучка ионов по его сечению, а также обеспечивает возможность корректировки параметров в ходе работы.

В варианте выполнения многоканального ионного источника с наклоном системы электродов под углом к поверхности ионного источника при параллельных друг другу внутренних поверхностях катода и анода, получают расходящийся ионный пучок под углом к оси пучка.

Заявляемый многоканальный ионный источник конструктивно прост, надежен и способен обеспечивать длительную непрерывную работу при соблюдении требуемых параметров.

1. Многоканальный ионный источник, включающий электродную систему, содержащую катодную корпусную и анодную части, источники магнитодвижущей силы, рабочих газов и высоковольтного электропитания, обеспечивающие разряд между катодом и анодом в скрещенных продольном магнитном и поперечном электрическом полях, в котором катодная корпусная магнитопроводящая часть источника снабжена отверстиями для выхода ионов, образующихся в разряде между катодом и анодом, отличающийся тем, что катодная корпусная часть имеет концентрические вакуумные каналы с кольцевыми отверстиями для выхода ионов, анодная часть состоит из находящихся в вакуумных каналах изолированных друг от друга и от катода концентрических колец под кольцевыми отверстиями в катоде, поверхность каждого из анодных колец, обращенная к катоду, параллельна внутренней поверхности катода, перекрывает отверстие в катоде по ширине, каждое анодное кольцо подсоединено к собственному высоковольтному источнику электропитания, а каждый вакуумный канал - к собственному источнику рабочего газа таким образом, что выходящие из каналов через отверстия в катоде потоки ионов, регулируемые независимо друг от друга по электропитанию и расходу газа, складываются на выходе источника ионов и образуют единый пучок ионов.

2. Многоканальный ионный источник по п.1, отличающийся тем, что в нем катодная корпусная часть и обращенные к ней поверхности анодных колец выполнены с наклоном под углом к выходной плоскости ионного источника при сохранении параллельности обращенных друг к другу поверхностей катода и анода.