 |
Принцип действия и основные эксплуатационные особенности источника Кауфмана
|
|
|
|
В источнике Кауфмана разряд локализуется между стенками анодного цилиндра, горячим катодом и системой экстракции рис.1. Осцилляция электронов в продольном магнитном поле и электрическом поле, образованном системой электродов, приводит к увеличению эффективности ионизации рабочего газа. Отличительной особенностью конструкции источника является наличие двух - или трехэлектродной многоапертурной ионно-оптической системы (ИОС), предназначенной для экстракции и формирования ионного потока, состоящего из множества (до 1000) отдельных пучков. Отражательный электрод имеет выходные отверстия и выполняет функцию эмиссионного электрода системы экстракции.
Соотношение радиуса цилиндрического анода и длины разрядной камеры имеет свой оптимум, при котором ионный ток максимален /3/.
Многолучевой источник с осцилляцией электронов (источник Кауфмана):
1 - термокатод, 2 - экран катода,3 - цилиндрический анод, 4 - соленоид, 5 - ввод рабочего газа,6 - плазма,7 - эмиссионный электрод, 8 - ускоряющий электрод, 9 - замедляющий электрод, 10 - ионный пучен
Рис.1
Следует отметить ряд достоинств, определяющих применение многопучкового источника в ионной технологии.
I. Низкое напряжение разряда (~20 В) уменьшает возможность распыления стенок камеры. Ионный пучок содержит небольшое количество примесей (10-6 %) и имеет малый энергетический разброс.
2. Механизм поддержания стационарного разряда допускает большой диаметр камеры при однородном распределении в ней плазмы, что, в свою очередь, позволяет применять многолучевое извлечение ионного пучка и работать с однородными потоками большого диаметра.
|
|
|
3. Осцилляция электронов позволяет использовать низкое давление в разрядной камере и поддерживать таким образом хороший вакуум в рабочей камере технологической установки, что снижает потери пучка и уменьшает загрязнение мишени.
4. Источник имеет высокий газовый к.п.д. (80 %) и высокий энергетический к.п.д.
К числу недостатков конструкции МИИ можно отнести то обстоятельство, что использование термокатода ограничивает срок службы источника и не позволяет работать с химически активными рабочими веществами. Кроме того, плазма в магнитном поле подвержена неустойчивостям, ухудшающим стабильность параметров ионного пучка и его оптические свойства /4/.
Типичные параметры технологического МИИ
Ток ионов (Аr+), мА....................10
Напряжение разряда, В.................. 20
Напряжение на ускоряющем электроде кВ... 20
Катодный узел технологического МИИ должен удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать стабильные параметры газоразрядной плазмы с достаточно высокой концентрацией и температурой электронов; иметь ресурс не менее 100 ч; допускать быструю замену катода.
Величина катодного тока зависит от диаметра анодной камеры и, соответственно, от поперечных размеров ионного потока.
Например, при формировании ионного пучка с диаметром 25 см катодный ток в 10 раз больше, чем для потока с диаметром 7,5 см. Активность использования эмитированных электронов зависит от конфигурации нити накала и размещения катодного узла в разрядной камере. Более равномерное распределение концентрации заряженных частиц и, следовательно, более однородные ионные потоки могут быть получены в источнике с несколькими идентичными нитями накала, размещенными около стенок анодного цилиндра.
|
|
|
В большинстве МИИ используется прямонакальный катод, хотя может применяться также и катод с косвенным накалом. Термокатод изготавливается из вольфрамовой или танталовой проволоки (ленты). Для улучшения эмиссионных характеристик катод может покрываться слоем щелочноземельных элементов, однако это приводит к распылению катодного покрытия и загрязнению ионного потока нежелательными примесями.
Магнитная система с дивергенцией поля обеспечивает повышенную концентрацию и однородность плазмы в зоне экстракции и способствует уменьшению потерь в разряде. Таким образом удается сформировать равномерный по сечению ионный поток достаточно большого диаметра. Магнитные системы такого типа используются в установках Microetch фирмы Veeco(CШA). Мультипольные системы на постоянных магнитах, в зоне полюсных наконечников которых размещаются аноды, позволяют получить пучки большого диаметра с однородностью 0,9.
Ионно-оптическая система МИИ должна обеспечивать: одновременную экстракцию и первичную фокусировку многопучкового потока; ускорение ионов до энергий I00 эВ - 2,0 кэВ; минимальные потери мощности пучка; минимальную эрозию сеток при длительной эксплуатации источника.
ИОС ИИИ представляет собой сборку из двух (или трех) сеток с отверстиями одинакового диаметра. Число отверстий соответствует числу ионных пучков. Сетки имеют вид плоских или выгнутых в сторону разряда тонких металлических (графитовых) дисков. От формы сеток зависит форма ионного потока. Наиболее часто используются плоские сетки. Вся система сетчатых электродов юстируется оптическим способом с целью достижения соосности отверстий.
Каждая из сеток (экстрагирующая, ускоряющая, замедляющая) имеет определенный потенциал. Экранирующая (экстрагирующая) сетка находится под высоким(до 8 кВ) отрицательным потенциалом, замедляющая сетка - под нулевым потенциалом (заземлена). Для увеличения ионного тока следует увеличивать ускоряющее напряжение и уменьшать расстояние между сетками.
Число отверстий в единице площади определяется параметрами плазмы на границе разряда и ускоряющим потенциалом. Прозрачность системы сетчатых электродов (площадь отверстий, отнесенную к общей площади сетки) в технологических МИИ стремятся увеличить до максимума.
|
|
|
В процессе работы источника сетчатые электроды испытывают термическую нагрузку. Центральная часть экранирующей сетки нагревается до 670-770 К, ускоряющей сетки - до 570-670 К. Края электродов разогреваются на IОО-300 К меньше, чем их центральная часть.
ИОС МИИ должна удовлетворять следующим требованиям:
иметь максимальную прозрачность при оптимальном соотношении между диаметром отверстий и расстоянием между ними;
иметь минимально возможное (при отсутствии электрического пробоя) расстояние между ускоряющей и экранирующей сетками;
толщина сеток должна быть минимально возможной при обеспечении механической прочности и стабильности межсеточного расстояния с учетом разогрева до 570-670 К;
сетки должны изготавливаться из тугоплавких материалов (молибден, графит) с низким коэффициентом температурного расширения и малым коэффициентом распыления;
ИОС должна юстироваться оптически для обеспечения соосности отверстий;
должно быть оптимизировано отношение потенциала плазмы и потенциалу ускоряющей сетки.
В технологических МИИ возникает необходимость нейтрализации пространственного заряда ионного потока, обусловленная, во-первых, низкой скоростью распыления диэлектрических мишеней вследствие накопления на них поверхности положительного заряда и, во-вторых, расфокусировкой ионного потока.
Нейтрализация осуществляется двумя способами:
I. На пути ионного потока размещается вольфрамовая или танталовая нить, является термоионным эмиттером. Недостатки этого метода - малый ресурс внешнего термоионного эмиттера, распыление материала нити и загрязнение обрабатываемой поверхности. Применение метода ограничено ионными пучками малого диаметра.
2. Метод "плазменного моста", состоящий в формировании вспомогательного плазменного потока, замыкающегося на ионный пучок и обеспечивающего нейтрализацию.
Многоаппертурные источники ионов серийно выпускаются в США фирмами Veeco, Commonwelth Seintific, Ion Tech, CSC и другими в виде универсальных автономных установок и в составе технологических систем.
|
|
|
