close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13847

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 13847
(13) C1
(19)
(46) 2010.12.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 3/00
H 01J 27/00
H 01J 27/02
H 05H 1/00
ИОННЫЙ ИСТОЧНИК
(21) Номер заявки: a 20090104
(22) 2009.01.28
(43) 2010.08.30
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Новицкий Николай Николаевич; Пашкевич Михаил Викторович;
Стогний Александр Иванович; Труханов Алексей Валентинович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) BY 11305 C1, 2008.
BY a20021105, 2004.
BY 2603 C1, 1998.
RU 1766201 C, 1995.
SU 574050, 1981.
JP 55093644 A, 1980.
BY 13847 C1 2010.12.30
(57)
Источник ионов, содержащий полый катод, закрытый сверху фланцем с выполненным
в последнем осевым контрагирующим отверстием, в котором размещен анод с осевым отверстием для напуска рабочего газа, эмиссионный и ускоряющий электроды с отверстиями
Фиг. 1
BY 13847 C1 2010.12.30
для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа, внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично расположенную внутри полого катода напротив
фланца, первую и вторую внешние магнитные системы, размещенные по наружной боковой поверхности полого катода и ориентированные одноименными полюсами к центру
последнего, причем одноименные полюса первой внешней магнитной системы и внутренней магнитной системы ориентированы навстречу друг другу, дополнительный электрод,
выполненный в виде цилиндра из сетки из немагнитной стали и расположенный внутри
полого катода с зазором между их боковыми поверхностями, составляющим от 2 до 6 мм,
отличающийся тем, что корпус внутренней магнитной системы выполнен с прозрачностью боковой стенки от 30 до 40 % в виде равноотстоящих друг от друга столбиков с зазором от 12 до 16 мм и высотой менее двух третьих высоты полого катода.
Изобретение относится к газоразрядным устройствам для получения интенсивных
широкоапертурных пучков ионов различных газов равномерной по поперечному сечению
плотности и предназначено к использованию в ионно-лучевых технологиях и для научных
исследований в вакууме, в том числе в опто- и микроэлектронной промышленности, в
частности для проведения операций травления покрытий обрабатываемых деталей и
напыления тонких пленок. Разнообразие конструкций источников ионов и принципов их
функционирования обусловлено постоянно возрастающими требованиями, формирующимися во время перманентно протекающего научно-технического прогресса [1].
Известен ионный источник, содержащий анод, промежуточный электрод с кольцевой
контрагирующей щелью, магнитную систему броневого типа, источник питания, положительный вывод которого соединен с анодом, полый катод [2].
Этот ионный источник обладает недостатком, заключающимся в том, что газовый
разряд в нем имеет сравнительно высокое напряжение, а это вызывает интенсивное распыление электродов ионного источника, особенно в области контрагирующей щели, что, в
свою очередь, ускоряет износ его узлов. Кроме того, ионный источник не обеспечивает
широких пучков равномерной плотности.
Известен также ионный источник, содержащий анод и катод тлеющего разряда,
экранный ускоряющий и замедляющий электроды ионно-оптической системы, тепловой
экран, газовый ввод, нейтрализатор, кольцевые сборки из постоянных магнитов [3].
Этот ионный источник имеет недостатки, заключающиеся в сложности конструкции, а
также в том, что он не позволяет получать пучок однородных ионов диаметром больше
70 мм.
Эти недостатки частично устранены в ионном источнике, включающем анод, полый
катод, ускоряющий электрод, эмиссионный электрод, внутреннюю магнитную систему,
заключенную в корпус и осесимметрично расположенную внутри полого катода возле
верхнего фланца, внешнюю магнитную систему и дополнительную магнитную наружную
систему [4].
Однако этот ионный источник имеет также недостатки, заключающиеся в том, что при
увеличении тока разряда более 0,5 A равномерность плотности тока пучка по сечению
ухудшается из-за большей концентрации плазмы в анодной области.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является
ионный источник, описанный в [5]. Ионный источник, включающий полый катод, закрытый сверху фланцем с выполненным в последнем осевым контрагирующим отверстием, в
котором размещен анод с осевым отверстием для напуска рабочего газа, эмиссионный и
ускоряющий электроды с отверстиями для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа,
внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично располо2
BY 13847 C1 2010.12.30
женную внутри полого катода напротив фланца, первую и вторую внешние магнитные
системы, размещенные по наружной боковой поверхности полого катода и ориентированные одноименными полюсами к центру последнего, причем одноименные полюса первой
внешней магнитной системы и внутренней магнитной системы ориентированы навстречу
друг другу, дополнительный электрод, выполненный в виде цилиндра из сетки из немагнитной стали и расположенный внутри полого катода с зазором между их боковыми поверхностями, составляющим от 2 до 6 мм.
В этом источнике частично устраняется неоднородность плотности тока пучка по сечению за счет увеличения плотности плазмы по периферии эмиссионной границы. Однако
сосредоточение плотной анодной плазмы в области контрагирующего отверстия и ее
ограничение по периферии стенкой внутренней магнитной системы по-прежнему остается
причиной более высокой плотности ионного пучка в приосевой окрестности сечения.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности получения широких пучков ионов кислорода диаметром до 300 мм с равномерной плотностью по поперечному сечению независимо от значения тока разряда.
Поставленная задача достигается в ионном источнике, содержащем полый катод, закрытый сверху фланцем с выполненным в последнем осевым контрагирующим отверстием, в
котором размещен анод с осевым отверстием для напуска рабочего газа, эмиссионный и
ускоряющий электроды с отверстиями для отбора ионов в пучок и откачки рабочего газа,
внутреннюю магнитную систему, размещенную в корпусе и осесимметрично расположенную внутри полого катода напротив фланца, первую и вторую внешние магнитные
системы, размещенные по наружной боковой поверхности полого катода и ориентированные одноименными полюсами к центру последнего, причем одноименные полюса первой
внешней магнитной системы и внутренней магнитной системы ориентированы навстречу
друг другу, дополнительный электрод, выполненный в виде цилиндра из сетки из немагнитной стали и расположенный внутри полого катода с зазором между их боковыми поверхностями, составляющим от 2 до 6 мм, новым, по мнению авторов, является то, что
корпус внутренней магнитной системы выполнен с прозрачностью боковой стенки от
30 до 40 % в виде равноотстоящих друг от друга столбиков с зазором от 12 до 16 мм и
высотой менее двух третьих высоты полого катода.
Новым, по мнению авторов, является то, что внутренняя магнитная система размещается внутри корпуса с частично прозрачной боковой стенкой.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 схематически изображены ионный источник и его поперечное сечение в области внутренней магнитной системы.
На фиг. 2 изображены график радиального распределения плотности тока пучка ионов
прототипа (кривая 2) и ионного источника с прозрачностью в 36 % боковой стенки внутренней магнитной системы (кривая 1) при токе разряда Iр = 1,2 A и ускоряющем напряжении Uуск = 1 кВ.
Ионный источник содержит анод 1, полый катод 2, эмиссионный электрод 3, ускоряющий электрод 4, внешнюю магнитную систему 5 и дополнительную магнитную систему
6, дополнительный электрод 7, изолятор 8 между анодом 1 и фланцем 9 и изолятор 10
между дополнительным электродом 7 и фланцем 9. Со стороны анода 1 полый катод 2 закрыт фланцем 9 с осевым контрагирующим отверстием (на чертеже не показано), в которое введен анод 1. Внутри полого катода 2 расположена осесимметричная внутренняя
магнитная система 11, снабженная корпусом 12. Внешняя магнитная система 5 и дополнительная магнитная система 6 ориентированы одноименными полюсами к центру полого
катода 2. Внешняя магнитная система 5 и внутренняя магнитная система 11 ориентированы одноименными полюсами навстречу друг другу. Для обеспечения рабочих режимов
3
BY 13847 C1 2010.12.30
ионного источника магнитные системы достаточно собрать из ферритовых постоянных
магнитов (на чертеже не показаны) с величиной магнитной индукции каждого не менее
15 мТл и размерами, обеспечивающими объем в 1…2 см3 каждого, потом равномерно их
расположить друг от друга внутри каждой магнитной системы с зазорами между магнита,
не превышающими их характерного поперечного размера. Магниты внутренней магнитной системы 11 расположены внутри корпуса 12, боковая стенка которого имеет вид равноотстоящих столбиков и имеет прозрачность 36 % для случая, приведенного на сечении
фиг. 1, где общее число столбиков равняется двенадцати, а в общем случае может составлять от 30 % до 40 %. Зазор между столбиками может варьироваться от 12 до 16 мм, так
для случая на фиг. 1 он составляет 14 мм. Высота столбиков не должна превышать двухтретей от высоты полого катода 2 и для случая на фиг. 1 составляет 30 мм при высоте катодной полости 80 мм. Возле боковой стенки 13, внутри полого катода 2, расположен дополнительный электрод 7 в виде цилиндра из мелкоячеистой сетки из немагнитной стали.
Осевое отверстие в аноде 1 служит для напуска рабочего газа (чаще всего кислорода).
Эмиссионный 3 и ускоряющий 4 электроды изготовлены из листов титана, которые равномерно перфорированы отверстиями (на чертеже не показаны), обеспечивающими прозрачность около 50 % каждого. Эти отверстия (на чертеже не показаны) служат для отбора
ионов в пучок и для откачки рабочего газа из ионного источника. Эмиссионный электрод 3
и ускоряющий электрод 4 соединяются изолятором 14.
Ионный источник работает следующим образом.
Разряд возбуждается кратковременным увеличением расхода газа после подачи
напряжения ≥ 400 В между анодом 1 и полым катодом 2, ≥ 100 В между полым катодом 2
и ускоряющим электродом 4. В последующие 20-30 минут происходит стабилизация режима горения разряда и корректируются рабочие значения расхода кислорода, тока разряда и извлекающего напряжения. В ионном источнике разряд имеет неоднородную и
характерную для двухкаскадного самостоятельного разряда низкого давления с холодным
полым катодом 2 структуру. Разрядное напряжение сосредоточено в основном в области
катодного падения потенциала у стенок полого катода 2 (от 200 до 300 В, в зависимости
от рабочего режима ионного источника) и в двойном электрическом слое (до 40 В). Двойной электрический слой разделяет катодную и анодную плазмы. Генерация заряженных
частиц в разряде происходит как в катодной, так и в анодной областях газоразрядной
плазмы. Формирование эмиссионной границы обуславливают два фактора: ионы из относительно равномерной плазмы внутри полого катода 2 и неравномерный поток ионов из
анодной плазмы, ускоренный полем двойного слоя в направлении эмиссионной границы.
По мере роста тока разряда неоднородность анодной плазмы увеличивается и вместе с ней
увеличивается и неравномерность по сечению плотности тока пучка с максимумом по оси.
Радиальное распределение плотности тока пучка измеряется при помощи подвижного
зонда Ленгмюра. Внутренняя магнитная система 10, внешняя магнитная система 5 и дополнительная магнитная система 6 предназначены для устранения этого недостатка. Однако по мере роста тока разряда (≥ 0,5 A) такая конфигурация магнитных систем
оказывается недостаточной для формирования однородного по сечению пучка ионов. При
увеличении отрицательного потенциала дополнительного электрода 7 до 50...60 В неоднородность плотности тока по сечению ионного пучка уменьшается и не превышает 2 %
(фиг. 2 кривая 1). Причем однородность плотности тока не зависит от значения тока разряда при зазоре в 4 мм между дополнительным электродом 7 и боковой стенкой 13 полого
катода 2 для случая на фиг. 1. Для сравнения на фиг. 2 (кривая 2) приведено распределение плотности тока по сечению пучка для случая, когда корпус магнитной системы состоял из сплошной боковой стенки (в случае прототипа). Здесь неоднородность по сечению
пучка достигает 5 % и обусловлена повышенной плотностью плазмы в приосевой окрест4
BY 13847 C1 2010.12.30
ности эмиссионной поверхности и по ее периферии. В предлагаемом источнике ионов
этот недостаток исключен за счет обеспечения диффузионного протекания анодной плазмы через проемы в боковой стенке корпуса 12 внутренней магнитной системы 11 на периферию катодной плазмы без ухудшения условий для ионизационных процессов в
разряде. Размер зазора I имеет нижний и верхний предел значений. При зазоре, меньшем
чем две толщины катодного слоя, катодная и анодная плазмы экранируются друг от друга.
С другой стороны, удаление магнитов внутренней магнитной системы приводит к ухудшению условий для ионизационных процессов в разряде источника ионов. При
12 < I < 16 мм оба условия являются сбалансированными и обеспечивают положительный
эффект без изменения газоразрядных процессов по сравнению с прототипом. Прозрачность боковой стенки корпуса 12 внутренней магнитной системы 11 также должна обеспечивать смыкание анодной и катодной плазмы без ухудшения условий протекания
газоразрядных процессов. В рассматриваемых экспериментальных условиях это происходит при прозрачности от 30 до 40 %. При меньшей прозрачности возрастает неоднородность плотности тока по сечению. При большей прозрачности ухудшаются условия
генерации анодной плазмы и наблюдается дисбаланс в работе каскадов разряда ионного
источника. Минимальная высота боковой стенки корпуса 12 определяется конструктивными особенностями, среди которых - обеспечение теплоотвода от внутренней магнитной
системы 11 и доступность проведения профилактических операций. Максимальная высота
боковой стенки корпуса 12 определяется отсутствием ее влияния на равномерность плотности тока пучка по сечению (в т.ч. из-за теневого эффекта). Этого не происходит, если
высота боковой стенки корпуса не превышает двух третьих от высоты катодной полости
2, которая определяет и расстояние от анодной плазмы до эмиссионной границы, в т.ч.
Таким образом, выполнение корпуса внутренней магнитной системы в виде равноотстоящих друг от друга столбиков с зазором I от 12 до 16 мм, высотой h, меньшей двух
третьих высоты полого катода, и частотой расположения столбиков, обеспечивающей
прозрачность боковой стенки внутренней магнитной системы от 30 до 40 %, расширяет
возможности использования предлагаемого ионного источника для равномерного травления покрытий обрабатываемых деталей в оптике, микроэлектронике и наноэлектронике,
особенно в случае процессов, критичных к наноразмерным уровням неравномерности поверхности (например, содержащих квантовые ямы и точки или служащих рассеивающими
поверхностями в миниатюрных оптических гироскопах).
Источники информации:
1. The Physics and Technology of Ion sources. Second Edition. Ian. G. Brown (Ed.) // 2004
WILLEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 379 p.
2. А.с. СССР 854192, МПК3 H 01L 3/04, H 01L 27/04. Опубл. 23.11.83 // Бюл. № 43.
3. Гаврилов Н.В., Емлин Д.Р., Радковский Г.В. Источник широких однородных пучков
низкоэнергетичных (~ 0,5 кэВ) газовых ионов // Приборы и техника эксперимента. - 2000. № 2. - С. 113-118.
4. Стогний А.И., Корякин С.В. Широкоапертурный источник ионов кислорода с холодным катодом и магнитными мультиполями // Приборы и техника эксперимента. - 2000. № 6. - С. 64-67.
5. Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Пашкевич М.В. Ионный источник: Патент BY 11305,
(прототип).
5
BY 13847 C1 2010.12.30
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
111 Кб
Теги
патент, by13847
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа