плазменный источник ионов с ленточным пучком (варианты)

Формула изобретения

1. Плазменный источник ионов с ленточным пучком, содержащий ионизационную камеру с эмиссионным отверстием прямоугольной формы, узел подачи в камеру рабочего вещества, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное магнитное поле, узел ввода в полость камеры высокочастотной энергии, элементы которого размещены на стенках камеры, выполненных из диэлектрического материала, и электростатическую систему извлечения ионов, отличающийся тем, что магнитная система обеспечивает создание внутри ионизационной камеры магнитного поля, величина индукции которого спадает от стенок камеры к ее продольной оси симметрии и в направлении к эмиссионному отверстию, причем обеспечивается однородность магнитного поля вдоль продольной оси симметрии ионизационной камеры на протяжении ее эмиссионного отверстия, а узел ввода высокочастотной энергии выполнен в виде двух секций, размещенных на противоположных стенках ионизационной камеры и выполненных с возможностью последовательного или параллельного подключения к высокочастотному генератору, причем каждая секция образована последовательно соединенными проводниками тока, параллельно расположенными на боковых стенках камеры вдоль ее эмиссионного отверстия, при этом концы проводников последовательно соединены замыкающими проводящими элементами с образованием последовательной электрической цепи.

2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что магнитная система образована по меньшей мере одним магнитопроводом и постоянными магнитами, установленными у стенок камеры.

3. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что ионизационная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда.

4. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки ионизационной камеры выполнены в форме цилиндрической поверхности.

5. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что электроды электростатической системы извлечения ионов выполнены вогнутой либо выпуклой формы.

6. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что узел подачи в камеру рабочего вещества установлен на стенке ионизационной камеры, расположенной напротив эмиссионного отверстия.

7. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что ионизационная камера закреплена на установочном фланце, в котором выполнены вакуумные разъемы электрических вводов.

8. Плазменный источник ионов с ленточным пучком, содержащий ионизационную камеру с эмиссионным отверстием прямоугольной формы, узел подачи в камеру рабочего вещества, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное магнитное поле, узел ввода в полость камеры высокочастотной энергии, элементы которого размещены на стенках камеры, выполненных из диэлектрического материала, и электрическую систему извлечения ионов, отличающийся тем, что магнитная система обеспечивает создание внутри ионизационной камеры магнитного поля, величина индукции которого спадает от стенок камеры к ее продольной оси симметрии и в направлении к эмиссионному отверстию, причем обеспечивается однородность магнитного поля вдоль продольной оси симметрии ионизационной камеры на протяжении ее эмиссионного отверстия, а узел ввода высокочастотной энергии выполнен в виде по меньшей мере двух секций, каждая из которых образована проводниками тока, параллельно расположенными на боковых стенках камеры поперек продольной оси симметрии эмиссионного отверстия, при этом концы проводников в каждой секции последовательно соединены замыкающими проводящими элементами с образованием последовательной электрической цепи, секции выполнены с возможностью последовательного или параллельного подключения к высокочастотному генератору и размещены на стенках камеры вдоль оси симметрии эмиссионного отверстия.

9. Источник ионов по п.8, отличающийся тем, что магнитная система образована по меньшей мере одним магнитопроводом и постоянными магнитами, установленными у стенок камеры.

10. Источник ионов по п.8, отличающийся тем, что ионизационная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда.

11. Источник ионов по п.8, отличающийся тем, что боковые стенки ионизационной камеры выполнены в форме цилиндрической поверхности.

12. Источник ионов по п.8, отличающийся тем, что электроды электростатической системы извлечения ионов выполнены вогнутой либо выпуклой формы.

13. Источник ионов по п.8, отличающийся тем, что узел подачи в камеру рабочего вещества установлен на стенке ионизационной камеры, расположенной напротив эмиссионного отверстия.

14. Источник ионов по п.8, отличающийся тем, что ионизационная камера закреплена на установочном фланце, в котором выполнены вакуумные разъемы электрических вводов.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно - к газоразрядным средствам, предназначенным для генерации ионных ленточных пучков. Изобретение может использоваться в технологических процессах с использованием ионных пучков для нанесения покрытий, ионного ассистирования, ионной имплантации и изменения свойств материалов.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время известны различные типы источников ионов, предназначенных для генерации ионных ленточных пучков.

В известном источнике ионов согласно патенту GB 2070853A (H 01 J 37/08, 1981 г.), содержащем ионизационную (разрядную) камеру с эмиссионным отверстием в форме прямоугольника, магнитную систему и ионно-оптическую систему (электростатическую) с извлекающим (ускоряющим) электродом. Для ионизации рабочего газа в таком источнике ионов используются два стержневых термоэмиссионных электрода прямого накала, установленных параллельно друг другу напротив эмиссионного отверстия. Применение двух термоэмиссионных электродов позволяет снизить их рабочую температуру и за счет этого повысить надежность работы и увеличить ресурс источника ионов.

Известен также источник ионов с ленточным пучком, описанный в патенте US 5089747A (H 01 J 27/02, 1992 г.), в котором термоэмиссионный электрод прямого накала размещен в отдельной ионизационной камере, заполняемой инертным газом. Такая камера используется в качестве источника электронов для ионизации рабочего газа. Основная ионизационная камера, заполняемая рабочим химически активным газом, соединена с камерой источника ионов через отверстие малого сечения и дополнительный перфорированный электрод. Известный источник ионов имеет достаточно сложную конструкцию и систему электропитания для того, чтобы отделить область с химически активным газом от зоны размещения горячего термоэмиссионного катода.

К числу аналогов заявленного изобретения относится также источник ионов с ленточным пучком, описанный в патенте US 4883969A (H 01 J 27/00, 1989 г.), который содержит ионизационную камеру, заполняемую химически активным рабочим газом, с эмиссионным отверстием в форме прямоугольника, магнитную систему, создающую в камере продольное магнитное поле, стержневой термоэмиссионный катод прямого накала, установленный в камере напротив эмиссионного отверстия, и ионно-оптическую (электростатическую) систему с ускоряющим электродом. Для увеличения срока службы термоэмиссионного катода, работающего в среде активных газов, в такой конструкции предусматривается контролируемая подача в ионизационную камеру паров эмиссионно-активных веществ. При осаждении паров этих веществ на катод возмещается потеря эмиссионно активного вещества в результате ионного распыления.

Однако указанные источники ионов не могут длительно и надежно работать при использовании в качестве рабочего вещества химически активных газов, поскольку они содержат в полости ионизационной камеры термоэмиссионный элемент, нагреваемый до высоких температур. Кроме того, такие источники ионов не позволяют генерировать достаточно широкие ленточные пучки с заданной равномерностью плотности тока, так как она ограничивается расположением термоэмиссионного катода относительно кромок эмиссионного отверстия.

Для создания ионного ленточного пучка может использоваться СВЧ-генератор (магнетрон), который соединяется через систему волноводов и замедляющую систему с ионизационной камерой, выполненной из диэлектрического материала (см. например патент US 4316090 A, H 01 J 27/00, 1982 г.). В ионизационной камере такого типа источников ионов с помощью внешней магнитной системы создается магнитное поле, параметры которого выбираются такими, чтобы обеспечить резонансное поглощение в полости камеры СВЧ-излучения. За счет отсутствия в ионизационной камере СВЧ-источника накального элемента появляется возможность широко применять в качестве рабочего вещества химически активные газы. Однако источники ионов данного типа имеют достаточно сложную и дорогостоящую конструкцию, в состав которой должен входить магнетрон, и обладают малой эффективностью использования потребляемой электроэнергии.

Наиболее близким аналогом патентуемого изобретения является плазменный источник ионов с ленточным пучком большой протяженности, описанный в патенте US 4859908 (H 01 J 27/02, 1989 г.). Известный источник ионов содержит ионизационную камеру с эмиссионным отверстием прямоугольной формы, узел подачи в камеру рабочего вещества, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное неоднородное магнитное поле, узел ввода в полость камеры высокочастотной энергии и электростатическую систему извлечения ионов.

ВЧ-электроды узла ввода в камеру высокочастотной энергии в источнике ионов известной конструкции размещены на стенках камеры, выполненных из диэлектрического материала. Один из электродов генератора подключается к ВЧ-генератору, возбуждающего колебания с частотой 13,56 МГц, а второй заземляется. Давление рабочего газа в ионизационной камере поддерживается в диапазоне 10^-3 - 10^-4 Торр. Величина магнитной индукции в ионизационной камере выбирается в диапазоне от 10 до 200 Гс (во всяком случае менее 500 Гс). При указанных параметрах обеспечивается замагничивание электронов и достаточно эффективный ввод ВЧ-энергии в ионизационную камеру, в результате чего осуществляется генерация стабильной и пространственно однородной плазмы.

Однако данная конструкция источника ионов не позволяет достичь необходимой однородности генерируемой плазмы и, соответственно, однородности плотности тока в создаваемом ленточном ионном пучке при увеличении продольного размера эмиссионного отверстия до 300 мм и более. В этом случае продольный размер ионизационной камеры должен быть еще больше, при этом во всем объеме камеры должна генерироваться однородная плазма. Выполнение этих условий не может быть обеспечено при соблюдении оптимальных параметров с точки зрения обеспечения эффективного ввода ВЧ-энергии в разрядный объем. Нарушение оптимальных условий ввода ВЧ-энергии в источнике ионов известной конструкции очевидным образом приведет к снижению надежности и ресурса устройства, а также к снижению энергетической эффективности и газовой экономичности.

Сущность изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача, связанная с созданием плазменного источника ионов с ленточным пучком, обладающего достаточной надежностью, высоким ресурсом, энергетической эффективностью и газовой экономичностью, и, кроме того, позволяющего получить протяженный ленточный пучок ионов инертных и химически активных веществ с высокой степенью однородности плотности тока по сечению пучка.

Перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в плазменном источнике ионов с ленточным пучком, в состав которого входит ионизационная камера с эмиссионным отверстием прямоугольной формы, узел подачи в камеру рабочего вещества, магнитная система, создающая в полости камеры стационарное магнитное поле, узел ввода в полость камеры высокочастотной энергии, элементы которого размещены на стенках камеры, выполненных из диэлектрического материала, и электростатическая система извлечения ионов, согласно настоящему изобретению магнитная система обеспечивает создание внутри ионизационной камеры магнитного поля, величина индукции которого спадает от стенок камеры к ее продольной оси симметрии и в направлении к эмиссионному отверстию, причем обеспечивается однородность магнитного поля вдоль продольной оси симметрии ионизационной камеры на протяжении эмиссионного отверстия. Кроме того, для достижения технического результата узел ввода высокочастотной энергии выполняется в виде двух секций, размещенных на противоположных стенках ионизационной камеры и выполненных с возможностью последовательного или параллельного подключения к высокочастотному генератору, причем каждая секция узла ввода энергии образована последовательно соединенными проводниками тока, параллельно расположенными на боковых стенках камеры вдоль ее эмиссионного отверстия. Концы проводников в каждой секции последовательно соединены замыкающими проводящими элементами с образованием последовательной электрической цепи.

В другом варианте патентуемого изобретения перечисленные технические результаты достигаются за счет того, что в плазменном источнике ионов с ленточным пучком, включающим в свой состав ионизационную камеру с эмиссионным отверстием прямоугольной формы, узел подачи в камеру рабочего вещества, магнитную систему, создающую в полости камеры стационарное магнитное поле, узел ввода в полость камеры высокочастотной энергии, элементы которого размещены на стенках камеры, выполненных из диэлектрического материала, и электростатическую систему извлечения ионов, согласно настоящему изобретению, магнитная система также обеспечивает создание внутри ионизационной камеры магнитного поля, величина индукции которого спадает от стенок камеры к ее продольной оси симметрии и в направлении к эмиссионному отверстию, причем обеспечивается однородность магнитного поля вдоль продольной оси симметрии ионизационной камеры на протяжении эмиссионного отверстия. Узел ввода высокочастотной энергии во втором варианте выполнения источника ионов выполняется в виде по меньшей мере двух секций, каждая из которых образована проводниками тока, параллельно расположенными на боковых стенках камеры поперек продольной оси симметрии эмиссионного отверстия. Концы проводников в каждой секции последовательно соединяются замыкающими проводящими элементами с образованием последовательной электрической цепи. При этом секции выполняются с возможностью последовательного или параллельного подключения к высокочастотному генератору и размещены на стенках камеры вдоль оси симметрии эмиссионного отверстия.

Как в первом, так и во втором варианте исполнения конструкции источника ионов возможны следующие частные случаи выполнения.

Предпочтительно выполнение конструкции источника ионов, в которой магнитная система образована по меньшей мере одним магнитопроводом и постоянными магнитами, установленными у стенок камеры.

Ионизационная камера может быть выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда.

Возможно также выполнение боковых стенок камеры в форме цилиндрической поверхности, ось симметрии которой параллельна продольной оси симметрии ионизационной камеры.

Электроды электростатической системы извлечения ионов могут быть выполнены вогнутой либо выпуклой формы для выбора определенной площади поперечного сечения ленточного пучка и управления его однородностью.

Желательно, для равномерного распределения ионизируемого рабочего вещества в объеме камеры, чтобы узел подачи в камеру рабочего вещества был установлен на стенке, расположенной напротив эмиссионного отверстия.

В предпочтительном исполнении конструкции источника ионов ионизационная камера закрепляется на установочном фланце, в котором выполняются вакуумные разъемы электрических вводов. Такое конструктивное исполнение позволяет обеспечить компактность источника ионов и упростить его эксплуатацию.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 изображена схема выполнения узла ввода высокочастотной энергии согласно первому варианту патентуемого источника ионов.

На фиг. 2 изображена схема выполнения узла ввода энергии согласно второму варианту патентуемого источника ионов.

На фиг. 3 схематично изображен вид сбоку на плазменный источник ионов, выполненный согласно настоящему изобретению, с частичным продольным разрезом.

На фиг. 4 изображен вид на источник ионов со стороны электростатической системы извлечения ионов (вид снизу).

На фиг. 5 изображен поперечный разрез плазменного источника ионов в увеличенном масштабе.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Патентуемый источник ионов с ленточным пучком может использоваться в различном исполнении конструкции в составе технологических установок, например в составе плазмохимических реакторов и ионно-лучевых установок, а также в качестве элемента конструкции электрических ракетных двигателей.

Ниже представлено описание преимущественных примеров реализации двух вариантов исполнения источника ионов с ленточным пучком, предназначенного для использования в составе ионно-лучевой технологической установки.

В первом варианте исполнения (см. фиг. 1) плазменный источник ионов содержит ионизационную камеру 1, выполненную из диэлектрика, например кварцевого стекла, в форме прямоугольного параллелепипеда (в других конструкциях плазменного источника ионов боковые стенки камеры 1 могут быть выполнены в форме цилиндрической поверхности). На стенках ионизационной камеры 1 установлены элементы узла ввода в полость камеры высокочастотной энергии (ВЧ-энергии), представляющего собой ВЧ-антенну.

Узел ввода ВЧ-энергии образован протяженными проводниками тока 2, параллельно расположенными на боковых стенках камеры 1 вдоль эмиссионного отверстия (см. фиг. 1, на фиг. 3 узел ввода ВЧ-энергии для упрощения изображения не показан). Концы проводников 2 последовательно соединены замыкающими проводящими элементами 3 с образованием последовательной электрической цепи, подключенной через систему согласования 4 с высокочастотным генератором 5 (ВЧ-генератором). Узел ввода ВЧ-энергии преимущественно выполняется, как это изображено на фиг. 1, в виде двух секций, размещенных на противоположных боковых стенках ионизационно камеры 1 и последовательно соединенных с ВЧ-генератором 5 через систему согласования 4 (в других примерах реализации секции узла ввода ВЧ-энергии могут быть параллельно подключены к ВЧ-генератору). Для обеспечения эффективного ввода ВЧ-энергии в ионизационную камеру 1 стенки камеры выполняются из диэлектрического материала за исключением части стенки, в которой образовано эмиссионное отверстие прямоугольной формы. При этом следует иметь ввиду, что из диэлектрического материала можно выполнить только часть стенок камеры 1 в области размещения узла ввода ВЧ-энергии (для эффективного ввода в камеру ВЧ-энергии).

Электростатическая система 6 извлечения ионов, входящая в состав плазменного источника ионов, установлена на прямоугольном эмиссионном отверстии ионизационной камеры 1 и состоит (см. фиг. 5) из последовательно установленных эмиссионного электрода 7, ускоряющего электрода 8 и выходного заземленного электрода 9. Отверстия в электродах, образующие в целом эмиссионное отверстие плазменного источника ионов с ленточным пучком, могут иметь различную форму. На фиг. 4 показана щелевая форма отверстий электродов, при этом щелевые отверстия ориентированы перпендикулярно продольной оси симметрии ионизационной камеры 1, хотя возможно выполнение отверстий и круговой формы.

Для выбора определенной площади поперечного сечения ленточного пучка и его однородности электроды электростатической системы 6 могут иметь различную пространственную форму: выпуклую или вогнутую. При выпуклой форме электродов 7, 8 и 9 увеличивается сечение ленточного пучка и соответственно появляется возможность обработки поверхностей больших размеров. При вогнутой форме электродов 7, 8 и 9 площадь поперечного сечения ленточного пучка уменьшается, однако увеличивается его интенсивность (плотность ионного тока). Данное исполнение ионного источника может использоваться, например, при продольном расположении ионного источника относительно узкой обрабатываемой ленты, перемещаемой с достаточно большой скоростью относительно эмиссионного отверстия.

Магнитная система плазменного источника ионов состоит из сборок постоянных магнитов 10, размещенных вдоль боковых стенок ионизационной камеры 1 на крепежных элементах, с помощью которых они крепятся к магнитопроводящим установочным фланцам 11 и 12, служащим магнитопроводами (см. фиг. 5). Такое выполнение магнитной системы позволяет создать внутри ионизационной камеры 1 магнитное поле, величина индукции которого спадает в направлении от стенок камеры к ее продольной оси симметрии и в направлении к эмиссионному отверстию. Кроме того, магнитная система обеспечивает однородность магнитного поля вдоль продольной оси симметрии ионизационной камеры 1 на протяжении ее эмиссионного отверстия.

Для равномерного распределения магнитного поля в полости ионизационной камеры 1 могут использоваться дополнительные сборки постоянных магнитов и/или дополнительные магнитопроводы, которые симметрично устанавливают у торцевых стенок камеры (на чертеже не показаны). Такое выполнение магнитной системы позволяет создать магнитное поле, спадающее в направлении от стенок ионизационной камеры 1, для повышения однородности извлекаемого ленточного пучка ионов. При этом обеспечивается требуемая однородность магнитного поля вдоль продольной оси симметрии ионизационной камеры 1 на протяжении ее эмиссионного отверстия. В этом случае осуществляется магнитная изоляция торцевых стенок камеры 1 и за счет этого повышается эффективность использования ВЧ-энергии для ионизации рабочего газа и повышается концентрация заряженных частиц в разрядном объеме вдоль эмиссионного отверстия. Необходимо отметить, что в качестве источников магнитного поля могут использоваться также и электромагнитные катушки намагничивания.

Узел подачи в ионизационную камеру 1 рабочего вещества устанавливается и на стенке камеры, расположенной напротив эмиссионного отверстия. Узел содержит газораспределитель 13, размещенный в полости камеры вдоль протяженного эмиссионного отверстия (см. фиг. 3 и 5). Газораспределитель 13 сообщен через газоввод 14 с системой подачи рабочего вещества.

Ионизационная камера 1 закрепляется с помощью крепежных элементов 15 на магнитопроводящем установочном фланце 12, в котором выполнены вакуумные разъемы электрических вводов (на чертеже не показаны). Эти разъемы предназначены для электропитания электродов 7, 8 и 9.

Во втором варианте исполнения (см. фиг. 2) плазменный источник ионов содержит узел ввода ВЧ-энергии, состоящий по меньшей мере из двух секций, каждая из которых образована проводниками тока 2, параллельно расположенными на боковых стенках камеры 1 поперек продольной оси симметрии эмиссионного отверстия. Концы проводников 2 в каждой секции последовательно соединены замыкающими проводящими элементами 3 с образованием последовательной электрической цепи, подключенной через систему согласования 4 к ВЧ-генератору 5. Секции узла ввода ВЧ-энергии размещены на стенках камеры 1 вдоль продольной оси симметрии эмиссионного отверстия. На фиг. 2 изображено параллельное подключение двух секций, каждая из которых состоит из последовательно соединенных проводников 2 и замыкающих элементов 3, к ВЧ-генератору 5 через систему согласования 4. Возможно и другое выполнение узла ввода ВЧ-энергии, когда секции подключаются последовательно к ВЧ-генератору 5.

В остальном плазменный источник ионов во втором варианте исполнения включает те же составные элементы и узлы, что и плазменный источник ионов в первом варианте исполнения (см. фиг. 3, 4 и 5).

Работа плазменного источника ионов как в первом, так и во втором вариантах исполнения, согласно описанным выше преимущественным примерам их реализации, осуществляется следующим образом.

Рабочее вещество, в качестве которого используется газ аргон, подается в ионизационную камеру 1 через газоввод 14 (конструкция плазменного источника ионов позволяет использовать наряду с инертными газами и химически активные вещества). В камере 1 с помощью сборок постоянных магнитов 10 создается стационарное неоднородное магнитное поле, величина индукции которого спадает от стенок камеры 1 к ее продольной оси симметрии и в направлении к эмиссионному отверстию, в котором установлены электроды 7, 8 и 9 электростатической системы извлечения ионов. Заданное распределение магнитного поля в камере 1 можно обеспечить и с помощью других, известных специалистам в данной области техники, средств.

После подачи аргона в камеру 1 включается ВЧ-генератор 5 и энергия с помощью подключенного к нему через систему согласования 4 узла ввода ВЧ-энергии подводится в разрядный объем. Узел ввода ВЧ-энергии описанной конструкции позволяет осуществить возбуждение в полости камеры 1 электрической компоненты высокочастотного поля.

Эффективный ввод ВЧ-энергии производится с помощью двух секций узла, образованных проводниками 2, расположенными на боковых стенках камеры 1. Концы проводников 2 последовательно соединены замыкающими проводящими элементами 3. Образованный последовательный контур (последовательная электрическая цепь) каждой секции охватывает боковые стенки протяженной ионизационной камеры 1 в области действия магнитного поля заданной конфигурации. Создаваемое с помощью магнитной системы поле создает магнитную изоляцию всех стенок камеры 1, за исключением стенки, в которой выполнено эмиссионное отверстие. Наилучший результат достигается, когда секции узла ввода ВЧ-энергии обладают одинаковым импедансом и равной плотностью распределения проводников по поверхности стенок камеры 1.

В первом варианте исполнения (см. фиг. 1) источника ионов проводники 2, образующие секции узла ввода ВЧ-энергии параллельно размещены на боковых стенках камеры 1 вдоль продольной оси симметрии эмиссионного отверстия. Во втором варианте исполнения (см. фиг. 2) проводники 2 параллельно расположены на боковых стенках камеры 1 поперек продольной оси симметрии эмиссионного отверстия.

Оба варианта исполнения узла ввода ВЧ-энергии позволяют осуществить эффективный ввод ВЧ-энергии в разрядный объем вдоль всей длины протяженной камеры 1 и, соответственно, вдоль протяженного эмиссионного отверстия. Под воздействием электрической компоненты ВЧ-поля в разрядном объеме камеры 1 зажигается высокочастотный разряд и образуется плазма. При этом ионизация рабочего вещества происходит во всем объеме камеры 1, т.е. вдоль всей длины ее протяженного эмиссионного отверстия. Это достигается за счет выполнения узла ввода ВЧ-энергии согласно описанным выше вариантам конструкции и использования магнитной системы, позволяющей создать в полости камеры 1 магнитное поле заданной конфигурации. Указанный эффект предопределяет возможность генерации ленточного пучка ионов с требуемой однородностью плотности тока.

Повышение эффективности ввода энергии ВЧ-поля и, следовательно, увеличение концентрации заряженных частиц и температуры плазмы во всем объеме ионизационной камеры 1 обеспечивается за счет локализации магнитного поля в области генерации ВЧ-поля. Экспериментально было установлено, что повышение энергетической и газовой эффективности процесса генерации плазмы в камере 1 и, следовательно, генерации ленточного пучка ионов достигается лишь в случае выполнения узла ввода ВЧ-энергии согласно вышеописанным вариантам конструкции.

В случае использования в качестве рабочего газа аргона частота генерируемого в камере 1 ВЧ-поля выбирается, в зависимости от требуемой концентрации плазмы и плотности извлекаемого ионного тока, в диапазоне от 10 до 100 МГц. Максимальное значение индукции стационарного магнитного поля предпочтительно устанавливается в диапазоне от 0,01 до 0,1 Тл. При этом величина вводимой в камеру 1 ВЧ-мощности составляет от 20 Вт до 1 кВт.

В реальных условиях величина тока ленточного ионного пучка, извлекаемого из ионного источника с размером эмиссионного отверстия 75 мм х 300 мм, может составлять до 300 мА. Извлекаемый ток можно увеличить за счет повышения рабочей частоты генерируемого ВЧ-поля.

Извлечение и формирование ленточного ионного пучка осуществляется в источнике ионов с помощью электростатической системы 6 извлечения ионов, состоящей из трех электродов. Такая система извлечения ионов реализует известный принцип работы: "ускорение-замедление". На электродах 7, 8 и 9 электростатической системы 6 фиксируются заданные потенциалы с помощью электрических вводов вакуумных разъемов, выполненных в установочном фланце 12. Потенциал генерируемой газоразрядной плазмы задается эмиссионным электродом 7. Создаваемое с помощью эмиссионного 7, ускоряющего 8 и заземленного 9 электродов электрическое поле извлекает ионы из камеры 1 через отдельные выполненные в них отверстия в виде элементарных пучков. Эти пучки объединяются в общий пучок и в результате формируется ленточный ионный пучок с заданным поперечным сечением, определяемым размерами общего эмиссионного отверстия. Размеры ионного пучка, извлекаемого из ионного источника в рассматриваемых вариантах реализации могут составлять: в продольном направлении - до 300 мм, в поперечном направлении - до 50 мм. При этом плотность ионного тока может регулироваться от 0,05 до 2 мА/см².

Для обеспечения возможности съема ионизационной камеры 1 независимо от других элементов конструкции плазменного источника ионов, который устанавливается в вакуумной камере технологической установки, камера 1 монтируется на съемном установочном фланце 12. Электростатическая система извлечения ионов также закрепляется на установочном фланце 12. Элементы магнитной системы устанавливаются с помощью крепежных элементов между установочными фланцами 11 и 12.

Вышеописанное выполнение и размещение узла ввода ВЧ-энергии на стенках камеры 1 и использование магнитной системы, обеспечивающей создание в разрядном объеме стационарного неоднородного магнитного поля с заданным градиентом, позволяет реализовать эффективный ввод ВЧ-энергии в генерируемую магнитоактивную плазму во всем объеме камеры 1. При использовании плазменного источника с ленточным пучком ионов согласно описанным выше вариантам исполнения величина неоднородности протяженного ионного пучка в продольном и поперечных направлениях не превышала 5% на мишени, расположенной на расстоянии 300-400 мм от электростатической системы извлечения ионов.

Патентуемый плазменный источник ионов, обладающий достаточной надежностью, высоким ресурсом, энергетической эффективностью и газовой экономичностью, позволяет генерировать протяженный ленточный пучок ионов инертных и химически активных веществ с высокой однородностью плотности тока.

Промышленная применимость

Патентуемый плазменный источник ионов с ленточным пучком (его варианты) может использоваться в плазменной технике, в составе технологических установок с газоразрядными источниками ионов, например имплантеров. Изобретение может найти применение в различных технологических процессах с использованием ионных пучков с продольными размерами до 300 мм и более. Однородный ленточный пучок таких размеров широко используется для обработки полупроводниковых материалов, нанесения покрытий, ионной имплантации, ионного ассистирования, очистки поверхностей и изменения свойств материалов.