Катодный узел ионного источника

Катодный узел ионного источника.
Изобретение относится к области ионно-лучевого оборудования и может быть использовано в установках для нолучения ионных пучков.
Известна конструкция катодного узла, описанная в 1. Катод выполнен в виде цилиндра, изготовленного из ионизируемого материала, а поджигающий электрод расположен вокруг конца катода и отделен от него тонким (около 1 мм) алундовым изолятором. Конструкция имеет следующие недостатки: в процессе горения дуги происходит преимущественное выгорание ионизируемого металлического материала в зоне его контакта с изолятором, а образовавшаяся плазма концентрируется в полости между керамикой и катодом. Результатом является то, что ухудшаются условия поджига и ограничивается время работы катода. Также исключается возможность использования материалов, имеющих низкую проводимость, поскольку большое сопротивление катодного материала не позволяет развиться дуге даже в том случае, если произошел поджиг.
Наиболее близкой по технической сути является предложенная в 2 конструкция, в которой в качестве источника ионов использован сложный молибденово-свинцовый катод. Для этого в молибденовой основе был просверлен ряд отверстий, в которые был вплавлен свинец. Недостатками такого катода являются: необходимость применения в качестве материалов составного катода металлов с высокой проводимостью, необходимость учета времени горения дуги на одном материале (молибден) до перехода дуги на другой материал (свинец) для получения в ионном пучке преимущественно ионов свинца. Так, как инициирование и горение дуги происходит преимущественно в районе контакта изолятора и основного материала катода, то и ионизироваться будет, в основном, материал основы, молибден.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка такого катодного узла ионного источника, в котором в качестве материала катода можно использовать не только металлы, но и неметаллические материалы, имеющие малую электропроводность, увеличение стабильности поджига и горения дуги, улучшение воспроизводимости процесса по составу инжектируемых ионов.
Для достижения указанного результата катодный узел ионного источника, состоящий из: поджигающего электрода; по крайней мере, одного изолятора; составного катода, включающего в себя, по крайней мере, один основной и один вспомогательный элементы, выполнены таким образом, что между изолятором и вспомогательным элементом составного катода располагают основной элемент составного катода, изготовленный из материала с малой удельной проводимостью, например, кремния, его соединений, высокобористых соединений различных металлов, например, АШ.
Основной элемент (элементы) составного катода выбирают из условия получения необходимого типа ионов из материала с малой удельной проводимостью, например, кремния, его соединений, высокобористых соединений различных металлов, например, AlBi2. Выбор материала с малой удельной проводимостью для основного элемента (элементов) дополнительно определяется тем, что в этом случае возможно горение дуги как в области его контакта с изолятором, так и в области контакта с вспомогательным элементом.
Толщину основного элемента (элементов) выбирают с учетом того факта, что наиболее вероятным местом образования пятна дуги, из которого эмитируются ионы, является относительно небольшой участок шириной 1-10 миллиметров от места его контакта с изолятором или вспомогательным элементом. На этом участке составного катода в процессе работы происходит преимущественный разогрев материала основного элемента, что также способствует эмиссии из него ионов.
,
Для второго, вспомогательного, элемента составного катода преимущественно используют материал, имеющий высокую удельную проводимость, теплопроводность и высокую температуру плавления, например, тантал, молибден, вольфрам, карбид вольфрама. В этом случае уменьшается вероятность зажигания и горения дуги в процессе работы на материале вспомогательного элемента.
Толщину вспомогательного элемента выбирают такой, чтобы его площадь поверхности в области горения дуги была менее 10 % от площади основного элемента. Обычно толщину вспомогательного элемента выбирают 0,1-0,5 мм.
На фиг. 1, 2 представлены конструкции катодного узла ионного источника различной формы.
На фиг. 1 представлен катодный узел цилиндрической формы, где 1 поджигающий электрод, 2 изолятор, 3 основной элемент составного катода из материала с малой удельной проводимостью, 4 вспомогательный элемент составного катода с большой удельной проводимостью.
На фиг. 2 представлен катодный узел прямоугольной формы, где 1 поджигающий электрод, 2 изоляторы, 3 основные элементы составного катода, выполненные из материала с малой удельной проводимостью, 4 вспомогательный элемент составного катода с большой удельной проводимостью, 5 стягивающий винт.
Катодный узел представленный на фиг. 2 работает следующим образом: собирают пакет пластин, состоящих последовательно из алундового изолятора 2, вспомогательного элемента 3 (кремний), основного элемента 4 (молибденовая фольга), второго вспомогательного элемента 3 (кремний), второго изолятора 2 (алунд).
Подготовленный пакет выравнивают в плоскости, по которой должен пройти первичный электрический поверхностный пробой изолятора. В случае необходимости плоскость дополнительно выравнивают шлифованием. 3
Далее собирают катодный узел, для чего зажимают винтом 5 подготовленный пакет в держателе 1, одновременно выполняющем функцию поджигающего электрода, и устанавливают катодный узел в импланторе, обеспечив необходимый электрический контакт между катодным узлом и электродами имплантора. Систему вакуумируют. Зажигают дугу, подавая импульсное напряжение между вспомогательным элементом 4 катода и поджигающим электродом 1. Наложением импульсных электрических полей вытягивают дугу и ускоряют ионы, согласно классической схеме, представленной, например, в 3.
На фиг. 3 представлена фотография отработавшего катода, выполненного по предложенной на фиг. 2 схеме. Флюенс составил  ион/см. Основные элементы 3, изготовленные из пластины полупроводникового кремния, при таком флюенсе оказались не полностью выработаны. При выполнении катодов из полупроводникового кремния в виде, предложенном в 1-3 часто вообще невозможно было инициировать процесс горения дуги или флюенс составлял не более  10 ион/см при низких ионных токах.
Источники информации:
1.Физика и технология источников ионов, под ред. Я. Брауна, Москва, Мир, 1998, с. 496.
2.Баталин В.А., Волков Ю.Н., Кулевой Т.В., Петренко С.В., Составной катод для вакуумно-дугового источника металлов. Приборы и техника эксперимента, 1992, №6, с. 191-194.
3.Аксенов А.И., Бугаев С.П., Панковец Н.Г., Чесноков С.М., Емельянов В.И., Толопа A.M. Приборы и техника эксперимента, 1987, №3, с. 139-142.