Ионный поток можно охарактеризовать следующими основными параметрами:

1) общим током кучка, максимальное значение кото­рого определяется «яркостью» источника; обычно яркость ионных источников значительно меньше, чем электрон­ных, и не превышает 100 А/(ср м­­² );

2) однородностью ионного потока, определяемой со­ставом пучка по массе и зарядности ионов; состав оцени­вается или в процентах, или значением тока для каждого типа ионов;

3) распределением ионов по энергиям (моноэнергетичностью) относительно среднего значения; это распределение зависит от типа источника и режима его работы;

4) стабильностью тока, позволяющей использовать ионный поток для технологических целей; количественно нестабильность оценивают степенью модуляции.

5) расходимостью пучка, определяемой системой фор­мирования ионного потока и направленный пучок и зави­сящей от режима работы источника /1/.

Эксплуатационные особенности источников оцени­ваются целой группой характеристик. В этой группе мож­но выделить следующие основные: режим работы (стационарный или импульсный), возможность ионизовать вещества в их различных состояниях (газ, жидкость, твердое тело), коэффициент использования рабочего вещества (для газовых источников—газовая экономич­ность, определяемая отношением числа выходящих из источника ионов к числу атомов газа, вводимых в источ­ник); легкость управления ионами по энергиям; необхо­димость в принудительном охлаждении; светосилу, опре­деляемую как отношение числа выходящих из источника ионов к их общему числу в источнике (обычно эта вели­чина порядка 0,1—1 %). При выборе источника следует учитывать его экономичность—ионный ток, приходящий­ся на единицу мощности, подводимой к источнику /3/.

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.