Устройство ионной имплантации
Заявляемая полезная модель относится к устройствам получения интенсивных ионных пучков и может быть использовано в низкоэнергетичных установках для увеличения глубины имплантации ионов в упрочняемую поверхность детали.
Устройство ионной имплантации содержит вакуумную камеру 1, источник ионов Пенинга 2, холодный полый катод 3, кольцевую щель 4, анод 5, мишень 6, высоковольтный электрод 7, систему питания анода 8, систему питания мишени 10, высоковольтный управляющий выпрямитель 11, образец детали 13, изолятор 14, электрод-коллектор электронов 15, источник питания электрода-коллектора электронов 16.
Упрочняемая деталь 13 помещается на высоковольтный электрод 7 и камера 1 вакуумируется до остаточного давления 10 мм рт.ст. В тороидальной газоразрядной камере поджигается тлеющий разряд, который вытягивается через кольцевую щель 4 катода 3 отрицательным потенциалом мишени 6 и распыляет последнюю. За счет вторичной ионной эмиссии формируется поток ионов из материала мишени 6. При подаче высокого статического потенциала на высоковольтный электрод 7 поток ионов, находящийся в источнике ионов, ускоряется полем высоковольтного электрода 7, а электродом-коллектором электронов 15 нейтрализуется воздействие электронов вторичной эмиссии из высоковольтного электрода на пучок ионов, тем самым повышается подведенная энергия и увеличивается глубина внедрения ионов в упрочняемую поверхность детали 13 при стационарном пучке ионов.
Полезная модель относится к устройствам получения интенсивных ионных пучков и может быть использовано в низкоэнергетичных установках для увеличения глубины имплантации ионов в упрочняемую поверхность детали.
Известны установки промышленного ионного легирования класса ИЛУ (Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М. Высшая школа, 1988, с.189, 190) конструкция которых, для повышения энергии ионов, выполнена с двойной и тройной системами ускорения, позволяющими получать энергию однозарядных ионов до 100 кэВ.
Недостаток этих установок: большие габариты, сложность генерации пучков ионов, высокая стоимость.
Известна установка для имплантации ионов повышенной энергии «Везувий-9» (Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М. Высшая школа, 1988, с.190-192), в конструкции которой, для повышения энергии ионов используются источник многозарядных ионов и система с последующим двойным ускорением пучка ионов.
Недостаток этой установки: сложность конструкции, высокая стоимость, малые токи пучка ионов, снижение интенсивности пучка с повышением многозарядности ионов.
Кроме того, недостатком выше названных установок является еще и то, что в промежутке следования пучка ионов к упрочняемой поверхноси детали происходят различного вида упругие и неупругие столкновения частиц пучка между собой и с атомами остаточного газа. При этом происходят разнообразные процессы: нейтрализация, ионизация, рассеяние, а значит, теряется энергия пучка ионов, приводящие к уменьшению глубины проникновения ионов в материал обрабатываемой детали.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству ионной имплантации, является выбранное, в качестве прототипа, устройство для имплантации ионов (патент 2118012, дата подачи заявки 1997.01.09, дата публикации 1998.08.20), содержащее вакуумную камеру с установленным в нем плазменным источником ионов Пенинга, представляющим собой газоразрядную камеру, образованную анодом и холодным полым катодом с кольцевой щелью, с мишенью, являющейся вытягивающим электродом, систем питания анода и мишени, высоковольтный управляющий выпрямитель, высоковольтный электрод с размещаемыми на нем образцами детали для упрочнения поверхности.
Установка работает следующим образом. Образцы помещаются на высоковольтный электрод и камера вакуумируется до остаточного давления 10 мм рт.ст. При давлении 10-1.0 мм рт.ст. в атмосфере реакционного газа на аноде в тороидальной газоразрядной камере поджигается тлеющий разряд, который вытягивается через кольцевую щель катода отрицательным потенциалом мишени и распыляет последнюю. За счет вторичной ионной эмиссии формируется поток ионов из материала мишени.
При подаче высокого статического потенциала на высоковольтный электрод поток ионов, находящихся в источнике ионов, попадая под действие электростатического поля ускоряющего промежутка, ускоряется им и имплантируется в упрочняемую поверхность детали, находящейся на высоковольтном электроде.
В области движения пучка ионов (между источником ионов и высоковольтным электродом) происходят различного вида упругие и неупругие столкновения частиц пучка между собой и с атомами остаточного газа, сопровождающиеся процессами нейтрализации, ионизации, рассеяния, приводящие к снижению энергии пучка ионов.
Кроме того, после имплантации ионов в упрочняемую поверхность детали из высоковольтного электрода вылетают вторичные электроны, которые устремляются против движения пучка ионов, усиливая нейтрализацию ионного пучка и создавая объемный экранирующий заряд на высоковольтном электроде, что значительно снижает первоначальную энергию пучка ионов, а значит, и уменьшает глубину внедрения ионов в образцы.
Задачей полезной модели является устройство ионной имплантации с энергией, превышающей подведенную и увеличивающей глубину внедрения ионов в обрабатываемую поверхность детали при стационарном пучке ионов.
Поставленная цель решается тем, что в известном устройстве для имплантации ионов введен в камеру дополнительно электрод-коллектор электронов, который уменьшает нейтрализующее воздействие электронов вторичной эмиссии на пучок ионов направленный на упрочняемую поверхность детали.
Заявляемое устройство позволит, ведя имплантацию с низкочастотной пульсацией пучка ионов, поднять энергию внедряемых ионов при постоянном ускоряющем напряжении на высоковольтном электроде, увеличив глубину проникновения ионов в упрочняемую поверхность детали.
На фиг.1 представлена конструкция устройства ионной имплантации, где показаны вакуумная камера 1, источник ионов Пенинга 2, холодный полый катод 3, кольцевая щель 4, анод 5, мишень 6, высоковольтный электрод 7, система питания анода 8, система питания мишени 10, высоковольтный управляющий выпрямитель 11, образец детали 13, изолятор 14, электрод коллектор электронов 15, источник питания электрода-коллектора электронов 16.
В вакуумной камере 1 размещен источник ионов Пенинга 2, представляющий собой тороидальную газоразрядную камеру, образованную холодным полым катодом 3 с кольцевой щелью 4 и анодом 5, с мишенью 6, и высоковольтный электрод 7 с обрабатываемой деталью 13, отделенный от вакуумной камеры изолятором 14, электрод-коллектор электронов 15.
Устройство ионной имплантации работает следующим образом.
Упрочняемая деталь 13 помещается на высоковольтный электрод 7 и камера 1 вакууммируется до остаточного давления 10 мм рт.ст. При давлении 10 мм рт.ст. в атмосфере реакционного газа в тороидальной газоразрядной камере поджигается тлеющий разряд, который вытягивается через кольцевую щель 4 катода 3 отрицательным потенциалом мишени 6 и распыляет последнюю. За счет вторичной ионной эмиссии формируется поток ионов из материала мишени 6. При подаче высокого статического потенциала на высоковольтный электрод 7 поток ионов, находящийся в источнике ионов, ускоряется полем высоковольтного электрода 7, а электродом-коллектором электронов 15 нейтрализуется воздействие электронов вторичной эмиссии из высоковольтного электрода на пучок ионов и имплантируется в упрочняемую поверхность детали 13.
Использование заявляемого устройства ионной имплантации позволит по сравнению с прототипом при стационарном режиме ионной имплантации, вести внедрение ионов с энергией, превышающей подведенную, увеличив глубину внедрения ионов в упрочняемую поверхность детали при стационарном пучке ионов.
Устройство ионной имплантации, содержащее вакуумную камеру с установленным в ней источником ионов Пенинга с системой питания анода и мишени, систему формирования и извлечения пучка ионов, высоковольтный управляющий выпрямитель, электрод-коллектор электронов, высоковольтный электрод, являющийся держателем образцов, отличающееся тем, что для уменьшения нейтрализующего воздействия электронов вторичной эмиссии на пучок ионов, направленных на упрочняемую поверхность детали, устройство снабжено электродом-коллектором электронов, повышающим подведенную энергию при стационарном режиме ионной имплантации.
