ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

Полезная модель может использоваться в плазменной технике в составе технологических установок для ионно-лучевой обработки материалов при ионной имплантации, ионном ассистировании, очистке поверхности, а также в качестве инжектора ионов металлов для ускорителей заряженных частиц.
Известен источник ионов металлов на основе дугового разряда с холодным катодом с использованием инициирующего разряда по поверхности диэлектрика [1]. В источнике использовалась двухэлектродная система извлечения, что приводило к ускорению потока вторичных электронов, выбиваемых ионами с поверхности мишени и вакуумной камеры, в направлении источника и, как следствие, сильному нагреву его элементов, что вызвало необходимость создания специальной системы охлаждения источника. Источник имел невысокий ресурс работы, ограниченный быстрой эрозией единственного катода и разрушением диэлектрика в системе инициирования.
Известен ряд попыток увеличить ресурс катодного узла источника за счет изменения конструкции катода, например, создания составного катода, каждая часть которого имела собственный инициирующий электрод [2] или системы медленного перемещения катода в керамическом изоляторе по мере его эрозии [3], что существенно усложняло конструкцию источника. Использование же для инициирования других типов разряда, имеющих больший ресурс работы, например пеннинговского [4] или магнетронного [5], загрязняло пучок ионов металла ионами газа.
Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели по совокупности признаков является источник ионов Mevva-V [6], принятый нами за прототип.Mevva-V представляет собой вакуумный корпус, в котором 18 отдельных катодных узлов размещались в карусельной системе, что позволило перемещать новый катод на место выработанного не разбирая источник. При этом ресурс установки увеличился соответственно количеству катодов. Такой подход немного усложнил конструкцию источника, но, с другой стороны, при использовании катодов из различных материалов позволил реализовать процесс многокомпонентной ионной имплантации в одном технологическом цикле. Вакуумно-дуговой разряд функционирует между тем катодом, который находится в контакте с системой инициирования, и неразборным полым анодом. Плазма материала катода заполняет полый анод, с торца которого, являющегося эмиссионным электродом, происходит отбор ионов. В источнике Mevva-V используется
многоапертурная трехэлектродная система извлечения ионного пучка. Дополнительный электрод предназначен для отсекания потока вторичных электронов. В результате нагрев элементов источника был существенно снижен, и, тем самым, уменьшена роль системы охлаждения, хотя окончательно от нее не отказались из-за использования в конструкции источника, в частности, в системе инициирования, легкоплавких изолирующих материалов.
Недостатком многоапертуртных систем извлечения является изменение пропускаемого ионного тока при варьировании ускоряющего напряжения. При изменении напряжения меняется положение плазменной границы в отверстиях эмиссионного электрода, что приводит к расфокусированию пучка и, как следствие, к снижению ионного тока из-за потерь ионов на других электродах, их распылению под действием ионной бомбардировки и загрязнению пучка продуктами эрозии, появлению в ускоряющем промежутке вторичных электронов.
Другим недостатком источника Mevva-V является то, что большой размер катододержателя существенно увеличивает возможность зажигания на нем паразитных катодных пятен и загрязнения ионного пучка материалами эрозии. Кроме того, неразборная конструкция полого анода затрудняет очистку его внутренней поверхности от напыляющегося на нее материала катода и микрокапель, что также вносит загрязнение в ионный пучок.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение эффективности ионного источника, снижение загрязнения ионного пучка продуктами эрозии катододержателя и электродов системы извлечения при сохранении высокой однородности извлекаемого ионного пучка, простоты конструкции, надежности и высокого ресурса ионного источника.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном источнике ионов, содержащем в вакуумном корпусе поворачивающийся многокатодный узел карусельного типа, систему инициирования на основе вспомогательного разряда по поверхности диэлектрика, размещенную на установленном на катодном фланце опорном изоляторе, полый анод с эмиссионным электродом, многоапертурную трехэлектродную систему извлечения ионного пучка, согласно предлагаемой полезной модели, полый анод выполнен разборным, эмиссионный электрод полого анода перекрыт дополнительной мелкоструктурной сеткой, катододержатель снабжен дополнительньм экраном, а опорный изолятор системы инициирования выполнен керамическим.
Сущность вносимых в полезную модель изменений: эмиссионный электрод полого анода перекрыт дополнительной мелкоструктурной сеткой с высокой прозрачностью.
Роль мелкоструктурной сетки с высокой прозрачностью состоит в стабилизации плазменной границы вблизи эмиссионного электрода в оптимальной плоскости и неизменности положения границы плазмы при увеличении значения ускоряющего напряжения начиная с некоторого значения, что приводит к уменьшению потерь ионов на других электродах системы извлечения ионного пучка. На вольтамперных характеристиках ионного источника это проявляется в существовании участка насыщения ионного тока, что делает возможным регулирование на этом участке ускоряющего напряжения независимо от тока разряда.
Полый анод выполнен разборным с целью очистки поверхности полого анода от напыляющегося на нее материала катода и удаления из него микрокапель, генерация которых сопровождает функционирование вакуумного дугового разряда с катодным пятном.
Выполнение опорного изолятора системы инициирования керамическим в сравнении с пластиковым в прототипе позволила отказаться от системы охлаждения источника, что существенно упростило его конструкцию и дало возможность отказаться от системы ввода теплоносителя под высокое ускоряющие напряжение.
Роль дополнительного экрана, выполненного из тантала, материала с максимальным пороговым током зажигания катодного пятна, заключается в защите элементов катододержателя от зажигания на них паразитных катодных пятен и загрязнения ионного пучка материалами эрозии эмиттироваными этими паразитными пятнами.
На фиг.1 представлена рассматриваемая полезная модель широкоапертурного вакуумно-дугового ионного источника. Он состоит из поворачивающегося 18-катодного узла карусельного типа 1, системы инициирования на основе вспомогательного разряда по поверхности диэлектрика 2, полого анода 3, многоапертурной трехэлектродной системы извлечения ионного пучка 4, с эмиссионным электродом, перекрытым дополнительной мелкоструктурной сеткой 5. Катододержатель закрыт дополнительным экраном 6. Катододержатель и система инициирования размещены на катодном фланце 7.
Источник работает следующим образом: подача короткого инициирующего импульса величиной несколько киловольт между катодом 7, находящимся на оси источника и поджигающим электродом 8 приводит к зажиганию разряда по поверхности диэлектрика и, таким образом, к инициированию вакуумной дуги между катодом 7 и полым анодом 3. В дальнейшем ток вакуумной дуги величиной до нескольких сотен ампер поддерживается формирующей линией. При горении дуги плазма материала катода заполняет полый анод 3 с расположенном на его торце многоапертурным эмиссионным
электродом, через который идет извлечение ионного пучка при приложении ускоряющего напряжения между ним и ускоряющим электродом. Система извлечения 4 содержит также отсекающий электрод, на который подается отрицательное напряжение величиной несколько киловольт для отсечки вторичных электронов. Смена рабочего катода происходит поворотом ручки катододержателя без разборки источника и нарушения вакуума.
2
Ток вакуумного дугового разряда достигал 300 А, при длительности импульса 200 мкс и частоте повторения импульсов до 10 Гц. Полный ионный ток, извлекаемый из источника, достигал 0,5 А при ускоряющем напряжении до 50 кВ. При этом площадь поперечного сечения ионного пучка на выходе из системы извлечения составляла 78 см.
Внесенные в предложенную модель вакуумного дугового ионного источника изменения позволили, при сохранении требуемой надежности и высокого ресурса работы, существенно улучшить, по сравнению с прототипом, функциональные и эксплуатационные характеристики источника, такие как однородность извлекаемого ионного пучка, уровень загрязнения пучка продуктами эрозии, простота конструкции.
Источники информации:
1. Баженов Г.П., Бугаев С.П., Ерохин Г.П., Киселев В.Н., Лигачев Н.Е., Чесноков С.М., Янчук А.В. Источник ионов металлов на основе дугового разряда с холодным катодом // Тез. докл. V Всес. Симп. по сильноточной электронике, Томск, 1984, Т.2, с.93-95.
2. Ryabchikov A.I., Dektjarev S.V., Stepanov I.B. Metal vapor vacuum arc ion source "Raduga" // Rev. Sci. Instrum., 1994, V.65, №10, р.3126-3133.
3. Zhang H., Zhang X., Zhou F., Zhang S., Li Q., Ban Z. The Beijing metal vapor vacuum arc ion source program // Rev. Sci. Instrum., 1994, V.65, №10, р.3088-3090.
4. Bugaev S.P., Nikolaev A.G., Oks E.M., Schanin P.M., Yushkov G.Yu. The 100 kV gas and metal ion source for a high current ion implantation // Rev. Sci. Instrum., 1992, V.63, №4, Pt.2, p.2422-2424.
5. Nikolaev A.G., Yushkov G.Yu., Oks E.M., MacGill R.A., Dickinson M.R., Brown I.G.
Vacuum arc trigger system based on ExB discharges // Rev. Sci. Instrum., 1996, V.67, №9, р.3095-3098.
6. Brown I.G. Vacuum arc ion sources // Rev. Sci. Instrum., 1994, V.65, №10, р.3061-3081.