Способ получения пучка ионов и устройство для его осуществления
Назначение: ионная техника. Техническим результатом изобретения является повышение интенсивности тока в пучке ускоренных ионов при неизменной мощности в газовом разряде. Сущность изобретения: в плазму разряда помещают дополнительный электрод с малой рабочей поверхностью стенок разрядной камеры и подают на него положительный потенциал по отношению к разрядной камере, чем сосредотачивают на его рабочей поверхности полный ток разряда и повышают концентрацию плазмы и температуру электронов. Одновременно с этим в объеме плазмы образуют дрейфовый поток всех видов заряженных частиц плазмы в скрещенных E x B полях к экстракцинной щели поперек силовых линий магнитного поля вдоль стационарного электрического слоя, образующегося в плазме без нарушения ее квазинейтральности, вызывая повышение концентрации плазмы у щели и плотности тока в пучке ускоренных ионов при неизменном режиме разряда. 3 с. и. 8 з. п. ф-лы, 14 ил.
Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологических целях для имплантации ионов, электромагнитного разделения изотопов для нанесения покрытий на поверхности с различными целями.
Известен способ получения пучка ионов и устройство ионного источника для его осуществления [1] в которых с помощью образования двойного электрического слоя в плазме разряда создают поток быстрых электронов, что приводит к контрагированию плазмы в магнитном поле и значительному повышению концентрации зарядов. В источнике ионов используется дополнительный электрод, к которому подсоединено сопротивление, изменяющее потенциал этого электрода с целью увеличения интенсивности ионного тока в пучке ускоренных ионов, величина которого возрастает также и при увеличении индукции магнитного поля, в котором работает источник ионов. Основные недостатки этого способа и ионного источника состоят в сложной системе образования необходимой конфигурации магнитного поля и в относительно небольшой величине тока в пучке ионов. Ближайшим техническим решением является способ получения пучка ускоренных ионов из газового разряда [2] включающий наложение на разряд скрещенных электрического и магнитного полей, когда плоскость, образованная векторами электрического и магнитного полей, параллельна плоскости экстракционного отверстия, направление упомянутых полей устанавливают из условия направленности скорости дрейфа плазмы к экстракционному отверстию в ограничивающей разряд стенке, извлечение, формирование и ускорение пучка ионов осуществляют с помощью электростатической ионно-оптической системы. Известный способ обладает недостатком, в нем поток заряженных частиц плазмы к экстракционному отверстию осуществляется транспортировкой в скрещенных ExB полях, когда плоскость этих векторов параллельна плоскости извлекающего отверстия, что вызывает необходимость использования дополнительного электрода с большей поверхностью. При этом плотность разряда получалась недостаточной для интенсивного протекания процессов диссоциации сложных молекул в разряде (например BF3) и ионизации атомов и ионов в условиях использования источников ионов на эксплуатирующихся импланторах при заданных параметрах разряда в источнике для сохранения срока службы его катода. Известен источник ионов [3] с протяженным катодом, в котором введены в проходные изоляторы катода два вспомогательных электрических изолированных электрода, торцовые стороны поверхности которых находятся в разрядной камере у концов катода. С помощью подачи потенциалов на эти электроды удалось повысить ток ионов B+ в пучке на 20% Недостатками этого источника ионов являются снижение надежности его работы вследствие образования проводящих слоев на поверхностях изоляторов в результате оседания пленок вольфрама с катода и небольшое увеличение тока в пучке ускоренных ионов. Ближайшим техническим решением (1 вариант осуществления предлагаемого способа) является источник ионов Фримана [4] использующийся на 95% импланторов для средних и больших токов в пучках ускоренных ионов, включающий разрядную камеру, продольная ось которой расположена вдоль силовых линий внешнего магнитного поля источника ионов, изолированный прямоканальный протяженный катод, установленный в камере параллельно оси разрядной камеры во втулках-изоляторах, размещенных в отверстиях торцовых стенок, напротив экстракционной щели, выполненной в боковой стенке разрядной камеры, схему питания, в которой отрицательный полюс источника напряжения разряда подсоединен к концу катода, а положительный полюс его подсоединен к разрядной камере, схему экстракции, формирования и ускорения пучка ионов электронной оптики. Основной недостаток этого источника ионов состоит в резком снижении интенсивности тока в пучке ускоренных ионов в зависимости от увеличения внешнего магнитного поля источника, в котором он работает, а в слабых магнитных полях вследствие большой подвижности заряженных частиц поперек магнитного поля и соответственно малого времени удержания заряженных частиц в разряде, низкой концентрации плазмы и температуры электронов молекулы BF3 не успевают претерпеть существенных диссоциативно-ионизационных преобразований и доминирующим пиком в спектре ионов является BF2+, а соотношение токов B+/BF2+ 0,3 получается очень низким, ток ионов B+ составляет небольшую величину. Кроме того, в этом источнике возникает вокруг катода ротационная неустойчивость плазмы разряда, приводящая к нарушению стабильности в токе пучка ускоренных ионов. Известен источник ионов [5] работающий в продольном магнитном поле с боковой экстракцией ионов, в котором у противоположных торцовых стенок расположены отражатель и прямолинейный катод, который выполнен в виде элемента, изготовленного из материала, более стойкого к ионному распылению, чем вольфрам, припаенного к графитовой подложке, конец катода электрически соединен с разрядной камерой и подсоединен к отрицательному полюсу разрядного напряжения, а положительный полюс его подсоединен к изолированному аноду, расположенному в разрядной камере так, что вектор скорости дрейфа плазменных электронов в разрядной камере в скрещенных электрическом и магнитном полях направлен в сторону щелевого отверстия. Основные недостатки источника состоят в большой мощности, необходимой для нагревания катода, которая превышает заложенные возможности в эксплуатирующихся импланторах, и использовании анода с развитой поверхностью. Ближайшим техническим решением осуществления предлагаемого способа (2 вариант) является источник типа Бернье [6] эксплуатирующийся на импланторах, включающий разрядную камеру, продольная ось которой расположена вдоль силовых линий внешнего магнитного поля источника ионов, продольную экстракционную щель, выполненную в боковой стенке разрядной камеры, изолированный прямоканальный катод, выполненный из тугоплавкого материала, размещенный у торца разрядной камеры во втулках-изоляторах, изолированный электрод-отражатель, расположенный напротив катода у противоположной стенки камеры, схему питания, в которой отрицательный полюс источника напряжения разряда подсоединен к концу катода, а положительный полюс его подсоединен к разрядной камере, электрод-отражатель подсоединен к отрицательному полюсу источника напряжения в осциллирующем режиме разряда или к разрядной камере при работе источника в прямом режиме разряда. Основные недостатки источника состоят в относительно небольшой плотности ионного тока, низком содержании одноразрядных ионов бора в пучке извлекаемых ионов. Техническим результатом изобретения является повышение диссоциативно-ионизационных процессов в газовом разряде, интенсивности тока в пучке ускоренных ионов, содержания в нем атомарных одно/многозарядных ионов при неизменной мощности в газовом разряде и сохранении срока службы катода источника ионов, повышение интенсивности тока ионов бора B+ в пучке ускоренных ионов на облучаемой мишени имплантора при доминирующем пике B+ в спектре пучка ионов, повышение стабильности тока в пучке ускоренных ионов вследствие устранения ротационной неустойчивости в источнике ионов без конструктивных изменений в импланторах. Технический результат достигается тем, что в способе получения пучка ионов из газового разряда, включающем наложение на разряд скрещенных электрического и магнитного полей, расположение которых устанавливают из условия направленности скорости дрейфа плазмы к экстракционному отверстию в ограничивающий разряд стенке, извлечение, формирование и ускорение пучка ионов осуществляется с помощью электростатической ионно-оптической системы, при этом разряд локализуют на смещенной от экстракционного отверстия рабочей поверхности дополнительного электрода, обращенной к середине разряда, малой по сравнению с поверхностью разрядной камеры для повышения концентрации и температуры электронов плазмы при неизменной мощности в разряде, образования двойного электрического слоя в плазме разряда без нарушения ее квазинейтральности и обеспечения дрейфа заряженных частиц плазмы вдоль двойного электрического слоя путем подачи на дополнительный электрод, по отношению к разрядной камере, положительного потенциала от добавочного источника электропитания, при этом величину магнитного поля изменяют до получения максимальной интенсивности тока в пучке ускоренных ионов; кроме того, технический результат достигается тем, что в источнике ионов для осуществления способа, включающем разрядную камеру, продольная ось которой расположена вдоль силовых линий магнитного поля источника ионов, изолированный прямоканальный протяженный катод, установленный в камере параллельно оси напротив экстракционной щели, выполненный в боковой стенке разрядной камеры, схему питания, в которой отрицательный полюс источника напряжения разряда подсоединен к концу катода, а положительный полюс его подсоединен к разрядной камере, схему экстракции, формирования и ускорения пучка ионов электродами ионной оптики, при этом в источник ионов введен изолированный дополнительный электрод с узкой протяженной рабочей поверхностью, параллельной оси разрядной камеры и обращенной к катоду, место расположения которой в разрядной камере выбрано так, что вектор скорости дрейфа заряженных частиц плазмы в разрядной камере в скрещенных электрическом E и магнитном B полях направлен к экстракционной щели, причем дополнительный электрод соединен с положительным полюсом добавочного источника электропитания по отношению к разрядной камере, а величину магнитного поля измеряют до получения максимальной интенсивности тока в пучке ускоренных ионов; и технический результат достигается тем, что в источнике ионов для осуществления способа, включающем разрядную камеру, продольная ось которой расположена вдоль силовых линий внешнего магнитного поля источника ионов, продольную экстракционную щель, выполненную в боковой стенке разрядной камеры, изолированный катод, размещенный у торца разрядной камеры, изолированный электрод-отражатель, расположенный напротив катода у противоположной стенки камеры, схему питания, в которой отрицательный полюс источника напряжения разряда подсоединен к катоду и электроду-отражателю, а положительный полюс его подсоединен к разрядной камере, при этом источник ионов снабжен изолированным дополнительным электродом с узкой протяженной рабочей поверхностью, параллельной оси разрядной камеры и обращенной к середине разряда, место ее расположения в разрядной камере выбрано так, чтобы вектор скорости дрейфа заряженных частиц плазмы в разрядной камере в скрещенных электрическом E и магнитном B полях был направлен к экстракционной щели, причем дополнительный электрод соединен с положительным полюсом добавочного источника электропитания по отношению к разрядной камере, а величину магнитного поля изменяют до получения максимальной интенсивности тока в пучке ускоренных ионов. Кроме того, в источнике ионов дополнительный электрод закреплен в изоляторах у торцовой камеры, а узкая протяженная поверхность его параллельна оси разрядной камеры, или закреплен в изоляторе одним концом, а узкая протяженная рабочая поверхность параллельна оси разрядной камеры или дополнительный электрод закреплен на боковой стенке разрядной камеры через изолятор, а узкая протяженная рабочая поверхность параллельна оси разрядной камеры, или дополнительный электрод закреплен через изолятор на добавочном съемном фланце и вставлен в разрядную камеру через прорезь, выполненную в боковой стенке камеры, и зафиксирован так, что узкая протяженная рабочая поверхность его параллельна оси разрядной камеры; а в схеме питания положительный полюс источника напряжения разряда подключен к дополнительному электроду, или между дополнительным электродом и разрядной камерой подключено сопротивление, выполняющее функцию добавочного источника электропитания, или один конец катода соединен с разрядной камерой, при этом роль добавочного источника электропитания выполняет разрядное напряжение, и, наконец, для осуществления прямого (однопролетного) режима разряда электрод-отражатель подсоединяют к разрядной камере. Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен осевой разрез разрядной камеры источника ионов с прямонакальным протяженным катодом, вид сбоку, на фиг.2 вид сверху разрядной камеры без крышки, на фиг. 3 вид сверху разрядной камеры с протяженным дополнительным электродом, на фиг. 4 поперечный разрез по А-А разрядной камеры с крышкой и дополнительным электродом, на фиг. 5 консольная конструкция дополнительного электрода, на фиг.6 вариант установки и выполнения дополнительного электрода, на фиг.7 разрез по C-C фиг.6, на фиг.8 схематично показан поперечный разрез разрядной камеры источника ионов с изолированным катодом и электродом-отражателем, расположенным у противоположных торцовых стенок разрядной камеры с дополнительным электродом по фиг.6, 7. На фиг.9 приведена схема электропитания источников ионов прототипов [4, 6] на фиг.10 - подключение добавочного источника электропитания







Формула изобретения
1. Способ получения пучка ускоренных ионов из газового разряда, включающий наложение на разряд скрещенных электрического и магнитного полей, расположение которых устанавливают из условия направленности скорости дрейфа плазмы к экстракционному отверстию в ограничивающей разряд стенке, извлечение, формирование и ускорение пучка ионов осуществляют с помощью электростатической ионно-оптической системы, отличающийся тем, что разряд локализуют на смещенной от экстракционного отверстия рабочей поверхности дополнительного электрода, обращенной к середине разряда, малой по сравнению с поверхностью разрядной камеры для повышения концентрации и температуры электронов плазмы при неизменной мощности в разряде, образования двойного электрического слоя в плазме разряда без нарушения ее квазинейтральности и обеспечения дрейфа заряженных частиц плазмы вдоль двойного электрического слоя путем подачи на дополнительный электрод, по отношению к разрядной камере, положительного потенциала от добавочного источника электропитания, при этом величину магнитного поля изменяют до получения максимальной интенсивности тока в пучке ускоренных ионов. 2. Источник ионов, включающий разрядную камеру, продольная ось которой расположена вдоль силовых линий внешнего магнитного поля источника ионов, изолированный прямонакальный протяженный катод, установленный в камере параллельно ее оси напротив экстракционной щели, выполненной в боковой стенке разрядной камеры, схему питания, в которой отрицательный полюс источника напряжения разряда подсоединен к концу катода, а положительный полюс его подсоединен к разрядной камере, схему экстракции, формирования и ускорения пучка ионов электродами ионной оптики, отличающийся тем, что в источник ионов введен изолированный дополнительный электрод с узкой протяженной рабочей поверхностью, параллельной оси разрядной камеры и обращенной к катоду, место расположения которой в разрядной камере выбрано так, чтобы вектор скорости дрейфа заряженных частиц плазмы в разрядной камере в скрещенных электрическом Е и магнитном В полях направлен к экстракционной щели, причем дополнительный электрод соединен с положительным полюсом добавочного источника электропитания по отношению к разрядной камере. 3. Источник ионов, включающий разрядную камеру, продольная ось которой расположена вдоль силовых линий внешнего магнитного поля источника ионов, продольную экстракционную щель, выполненную в боковой стенке разрядной камеры, изолированный катод, размещенный у торца разрядной камеры, изолированный электрод-отражатель, расположенный напротив катода у противоположной стенки камеры, схему питания, в которой отрицательный полюс источника напряжения разряда подсоединен к катоду и электроду-отражателю, а положительный полюс его подсоединен к разрядной камере, отличающийся тем, что источник ионов снабжен изолированным дополнительным электродом с узкой протяженной рабочей поверхностью, параллельной оси разрядной камеры и обращенной к середине разряда, место ее расположения в разрядной камере выбрано так, чтобы вектор скорости дрейфа заряженных частиц плазмы в разрядной камере в скрещенных электрическом Е и магнитном В полях был направлен к экстракционной щели, причем дополнительный электрод соединен с положительным полюсом добавочного источника электропитания по отношению к разрядной камере. 4. Источник по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что дополнительный электрод закреплен в изоляторах у торцов разрядной камеры, а узкая протяженная рабочая поверхность параллельна оси разрядной камеры. 5. Источник по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что дополнительный электрод закреплен в изоляторе одним концом, а узкая протяженная рабочая поверхность параллельна оси разрядной камеры. 6. Источник по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что дополнительный электрод закреплен на боковой стенке разрядной камеры через изолятор, а узкая протяженная рабочая поверхность параллельна оси разрядной камеры. 7. Источник по п. 6, отличающийся тем, что дополнительный электрод закреплен через изолятор на добавочном съемном фланце и вставлен в разрядную камеру через прорезь, выполненную в боковой стенке камеры и зафиксирован. 8. Источник по пп. 2 7, отличающийся тем, что положительный полюс источника напряжения разряда подключен к дополнительному электроду. 9. Источник по пп. 2 8, отличающийся тем, что в качестве добавочного источника электропитания использовано сопротивление, соединенное с разрядной камерой и дополнительным электродом. 10. Источник по пп. 2 8, отличающийся тем, что один конец катода соединен с разрядной камерой. 11. Источник по пп. 3 8 и 10, отличающийся тем, что электродотражатель подсоединен к разрядной камере.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14