Важной характеристикой применения источников в технологических установках является их долговечность, определяемая как период непрерывной работы (в часах) без замены детален и разборки источника. Простота конструкции, особые требования к блокам питания и уп­равления также важны при выборе типа источника.

В настоящее время разработано и эксплуатируется большое число источников различных типов. В данной работе рассмотрены принцип действия и основные эксплуатационные особенности источника Кауфмана.

2. 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;