2187218 - Источник ионов (варианты)

Источник ионов (варианты)

Реферат

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к устройствам, предназначенным для получения интенсивных пучков ионов, которые могут использоваться в ионно-лучевых технологиях. Торцевая стенка корпуса источника ионов, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части этой торцевой стенки, разделенные выходным отверстием, служат полюсными наконечниками магнитной системы, которые образуют первый межполюсный зазор. В состав магнитной системы входят полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутого выходного отверстия вдоль направления эмиссии ионов. Источник магнитодвижущей силы установлен в пространстве между двумя группами магнитных полюсов. Отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого и второго магнитных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Согласно первому варианту изобретения торцевая стенка корпуса со стороны, противоположной выходному отверстию, выполнена из магнитопроводящего материала и образует вместе с полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров разомкнутый магнитопровод. Согласно второму варианту изобретения полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор, электроизолированы от корпуса и от полюсных наконечников, образующих первый межполюсный зазор. Технический результат - изобретение позволяет повысить интенсивность генерируемого ионного пучка и энергию ионов при условии однородного распределения плотности ионного тока по сечению пучка, а также обеспечивается возможность регулирования энергии ионов в пучке. 2 с. и 29 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным устройствам, предназначенным для получения интенсивных, в том числе ленточных, пучков ионов, которые могут использоваться в ионно-лучевых технологиях для модификации поверхностей изделии и для нанесения на них покрытий.

В настоящее время известны различные типы источников ионов, предназначенных для генерации пучков, к числу которых относятся и источники ионов с замкнутым дрейфом электронов (замкнутым холдовским током). Такие источники ионов подразделяются на два вида: источники ионов с протяженной зоной ускорения, содержащие диэлектрический канал (например, европейская заявка FP 0541309 Al, МПК Н 05 Н 1/54, F 03 Н 1/00, опубликована 12.05.93), и источники ионов с короткой зоной ускорения (например, патент US 4122347, МПК Н 01 J 27/00, опубликован 24.10.78), называемые также источниками ионов с анодным слоем. Второй вид источников ионов с замкнутым дрейфом электронов наиболее широко применяется в технологических целях, поскольку для работы таких источников ионов не требуется термоэмиттер электронов, в состав таких источников не входит диэлектрический канал для ускорения ионов, при этом межэлектродное расстояние может быть минимальным. Источники ионов с анодным слоем имеют более простую конструкцию и обеспечивают возможность генерации ленточных ионных пучков с большими линейными размерами. Кроме того, они могут применяться без термоэмиттеров. В качестве катода в таких источниках обычно используется корпус устройства.

В российском патенте RU 2030807 (МПК Н 01 J 27/04, 37/08, опубликован 10.03.95) описан источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, предназначенный для генерации ленточных пучков. Известный источник содержит корпус, выполненный из магнитопроводящего материала, который служит катодом. С корпусом источника сообщен газораспределитель, служащий для подачи рабочего газа в разрядный промежуток. В выходной торцевой стенке корпуса источника образовано протяженное эмиссионное отверстие, состоящее из параллельных прямолинейных участков и двух замыкающих криволинейных участков. Анод симметрично установлен в полости корпуса источника напротив эмиссионной щели. При этом анод расположен осесимметрично вокруг постоянных магнитов, установленных между торцевыми стенками корпуса и служащих для создания магнитного поля в рабочем зазоре эмиссионной щели. Противолежащие относительно эмиссионной щели части выходной магнитопроводящей торцевой стенки корпуса выполняют функции полюсных наконечников магнитной системы устройства. Полюсные наконечники с элементами магнитопроводящего корпуса электроизолируются друг от друга и заземляются через приборы, регистрирующие ток. За счет профилирования эмиссионной щели и изменения расстояния между полюсными наконечниками осуществляется управление формой генерируемого пучка и его интенсивностью. В целом конструкция известного источника ионов обеспечивает снижение распыления полюсных наконечников и вследствие этого повышение чистоты наносимых покрытий и качества обработки модифицируемых поверхностей изделий.

Известен ряд конструктивных решений, направленных на усовершенствование магнитной системы источников ионов с замкнутым дрейфом электронов с целью повышения интенсивности ионного пучка. Так, например, известен источник ионов с замкнутым дрейфом электронов, в состав которого входит усовершенствованная магнитная система (патент US 5763989, МПК Н 05 Н 1/02, опубликован 09.06.1998). Магнитная система такого источника ионов включает источники магнитодвижущей силы в виде постоянных магнитов, магнитопровод и магнитопроводящие экраны, окружающие коаксиальный разрядный канал устройства. Магнитная система предназначена для генерации в разрядном канале радиального магнитного поля с заданным градиентом поля в осевом направлении канала. Однако данный источник ионов относится по принципу работу к плазменным устройствам с протяженной зоной ускорения и для его работы требуется использование дополнительного эмиттера электронов, расположенного за срезом разрядного коаксиального канала.

Наиболее близким аналогом патентуемых вариантов изобретения является источник ионов с ленточным пучком, при работе которого используется принцип ускорения ионов в анодном слое с замкнутым дрейфом электронов (патент US 4277304, МПК Н 01 L 21/306, Н 01 J 17/04, опубликован 07.07.1981). Корпус источника ионов имеет замкнутую выходную щель для эмиссии ионов и формирования ленточного пучка ионов. Анод источника ионов расположен внутри корпуса напротив выходной щели. Газораспределитель рабочего вещества сообщен с полостью корпуса и соответственно с разрядным каналом источника ионов. Катодом известного источника служит корпус или часть корпуса с торцевой стенкой, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов. Торцевая стенка источника ионов с выходным отверстием выполняется из магнитопроводящего материала (магнитопроводящей стали).

Известное техническое решение направлено на создание компактного источника ионов с ленточным пучком и на снижение рассеяния магнитных полей за счет оптимизации конструкции магнитной системы. В состав магнитной системы источника ионов входят постоянные магниты, установленные с внешней стороны корпуса вдоль кромок замкнутого выходного отверстия, выполненного в форме щели. Векторы индукции постоянных магнитов, расположенных у противоположных кромок выходной щели, ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность. Торцевая стенка корпуса, в которой выполнена протяженная замкнутая выходная щель, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части торцевой стенки корпуса, разделенные замкнутой выходной щелью, служат полюсными наконечниками магнитной системы и образуют рабочий магнитный зазор вдоль замкнутой выходной щели.

На внешних торцевых частях постоянных магнитов также установлены полюсные наконечники, посредством которых замыкается магнитное поле с внешней стороны корпуса источника ионов, препятствуя тем самым рассеянию магнитного поля за пределами разрядного канала. При этом в отдельных вариантах исполнения известного устройства (фиг.6 патента US 4277304) внешние полюсные наконечники магнитной системы замкнуты магнитопроводящими перемычками. Таким образом, внешние полюсные наконечники в рассматриваемом источнике ионов предназначены лишь для концентрации магнитного поля в полости корпуса магнитопровода и не служат в качестве магнитных элементов, образующих дополнительный рабочий магнитный зазор. Ускорение ионов в таком устройстве осуществляется в скрещенных электрическом и магнитном полях в области рабочего магнитного зазора, расположенного в непосредственной близости от анода. Полюсные наконечники, установленные на торцевых частях постоянных магнитов и связанные между собой магитопроводящими перемычками (фиг.6 патента US 4277304), образуют выходное отверстие источника ионов, существенно не влияя на процесс формирования пучка ионов. В другом частном случае конструктивного выполнения источника ионов (фиг.8А патента US 4277304) полюсные наконечники, установленные на торцевых частях постоянных магнитов, образуют второй магнитный зазор, в котором теоретически возможно доускорение ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Однако в патенте US 4277304 не указаны характерные условия, определяющие распределение магнитного поля в магнитной линзе, которая образует выходное отверстие источника ионов и служит для формирования ионного пучка. Вследствие этого нет основании для суждения о возможности эффективного влияния на процесс ионизации и на ускорение ионов второго магнитного зазора магнитной линзы, используемой в известном устройстве.

К числу наиболее значимых параметров источника ионов, применяемого в технологических процессах, относится интенсивность ионного пучка, однородность плотности тока по сечению пучка и стабильность электрического разряда. Перечисленные характеристики зависят, в свою очередь, от точности размеров эмиссионного отверстия, равномерного распределения магнитного и электрического поля в магнитном зазоре и от равномерности подачи рабочего газа вдоль эмиссионного отверстия. Выполнение этих условий особенно важно для генерации протяженных ленточных пучков. Кроме того, с целью обеспечения приемлемых плотностей ионного тока на единицу длины эмиссионного отверстия необходимо использовать интенсивные разряды большой мощности. Известные в настоящее время источники ионов в целом не соответствуют всем перечисленным требованиям и поэтому обладают ограниченными возможностями при их использовании в различных ионно-лучевых технологических процессах.

Изобретение направлено на повышение интенсивности генерируемого ионного пучка в широком диапазоне энергий ионов при условии однородного распределения плотности ионного тока, что необходимо для различных технологических процессов (ионного травления, нанесения покрытий и т.д.). Данные технические результаты связаны с решением определенной технической задачи, заключающейся в реализации оптимальных условий для ионизации рабочего газа и ускорения ионов, включая возможность регулирования их энергии, по сечению ионного пучка посредством эффективного использования второго магнитного зазора магнитной линзы. Решение поставленной задачи становится особенно важным при генерации протяженных ленточных пучков, имеющих достаточно большое сечение.

Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается с помощью источника ионов, который содержит корпус с замкнутым выходным отверстием для эмиссии ионов, анод, расположенный внутри корпуса напротив выходного отверстия, газораспределитель, сообщенный с полостью корпуса, катод, по меньшей мере, частью которого служит корпус, и магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы в виде постоянного магнита. Источник магнитодвижущей силы установлен с внешней стороны корпуса вдоль кромки замкнутого выходного отверстия. Торцевая стенка корпуса, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части этой торцевой стенки, разделенные замкнутым выходным отверстием, служат полюсными наконечниками магнитной системы, которые образуют первый магнитный зазор. В состав магнитной системы входят полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутого выходного отверстия, расположенный напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Источник магнитодвижущей силы установлен в пространстве между полюсными наконечниками первого и второго зазоров.

Согласно первому варианту настоящего изобретения отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Кроме того, торцевая стенка корпуса со стороны, противоположной выходному отверстию для эмиссии ионов, должна быть выполнена из магнитопроводящего материала. Указанная торцевая стенка образует вместе с полюсными наконечниками первого и второго магнитных зазоров разомкнутый магнитопровод. При этом остальные части корпуса могут быть выполнены из немагнитного материала.

Данное исполнение источника ионов дает возможность эффективно использовать второй межполюсный зазор магнитной линзы и создать с ее помощью квадрупольное распределение магнитного поля в выходном отверстии. Генерируемый во втором межполюсном зазоре замкнутый холловский ток обеспечивает дополнительную ионизацию рабочего газа и усиливает магнитное поле в первом межполюсном зазоре, положительно влияя на стабилизацию разряда и на процесс ускорения ионов. Создаются также условия для эффективного дополнительного ускорения ионов во втором межполюсном зазоре. Такая возможность обеспечивается геометрическим соотношением расстояний между полюсными наконечниками обоих зазоров, при котором проявляется взаимовлияние собственных магнитных полей дрейфовых электронных токов и магнитного поля, создаваемого магнитной системой источника ионов. Использование магнитопроводящей торцевой стенки, образующей вместе с четырехполюсной (квадрупольной) магнитной линзой разомкнутый магнитопровод, увеличивает градиент магнитного поля в первом межполюсном зазоре и способствует повышению равномерности магнитного поля вдоль выходного отверстия источника ионов. Вследствие этого повышается равномерность ускорения ионов в пучке и интенсивность ионного пучка.

Магнитная система может включать в свой состав постоянные магниты, установленные между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль противоположных кромок замкнутого выходного отверстия. Векторы индукции поля постоянных магнитов, расположенных у противоположных кромок выходного отверстия, ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность. Данное конструктивное выполнение способствует усилению магнитного поля и повышению равномерности распределения напряженности магнитного поля в межполюсных зазорах.

Необходимо отметить, что в источнике ионов, выполненном согласно самостоятельному пункту формулы изобретения, может использоваться только один постоянный магнит в качестве источника магнитодвижущей силы. Для генерации магнитного поля в двух последовательно расположенных межполюсных зазорах единственный источник магнитодвижущей силы может быть выполнен замкнутой формы и размещаться вдоль внешней кромки выходного отверстия (как, например, показано на фиг.4А патента US 4277304) либо он может быть выполнен незамкнутой формы и устанавливаться вдоль внутренней кромки выходного отверстия (как, например, показано на фиг.8А патента US 4277304).

В предпочтительном варианте выполнения в конструкции источника ионов может использоваться внутренняя перемычка, соединяющая противоположные торцевые стенки корпуса. Анод в этом случае выполняется замкнутой формы, повторяющей форму выходного отверстия, и устанавливается вокруг внутренней перемычки корпуса.

В качестве внутренней перемычки целесообразно использовать дополнительный постоянный магнит. Вектор индукции поля дополнительного магнита ориентируется параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля магнита, установленного напротив него с внешней стороны корпуса.

Вокруг анода между магнитопроводящими торцевыми стенками корпуса могут устанавливаться дополнительные постоянные магниты, причем вектор индукции поля каждого дополнительного магнита ориентируется параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля постоянного магнита, установленного напротив него с внешней стороны корпуса. Включение дополнительных постоянных магнитов в разомкнутый магнитопровод способствует более равномерному распределению магнитного поля в межполюсных зазорах, обеспечивая тем самым однородность распределения плотности тока и энергии ионов по сечению ионного пучка.

Дополнительные постоянные магниты могут быть установлены как в центре корпуса, так и на его периферии, а также одновременно в центре корпуса и на его периферии.

Для генерации протяженных ленточных пучков используют межполюсные зазоры, образующие замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов, в виде замкнутой эмиссионной щели. Замкнутая щель состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах криволинейными участками.

Ширина одного из прямолинейных участков по меньшей мере одного из межполюсных зазоров может быть больше ширины второго прямолинейного участка этого межполюсного зазора. Такое выполнение источника ионов позволяет генерировать по существу два параллельных ионных пучка с различными плотностями тока и различными энергиями ионов. Данная возможность обеспечивает универсальность применения источника ионов в технологических процессах, требующих последовательную обработку поверхности изделия пучками ионов различной интенсивности.

В предпочтительном варианте выполнения источника ионов отношение ширины первого межполюсного зазора к величине зазора между поверхностью анода и противолежащей кромкой полюсного наконечника, образующего первый магнитный зазор, составляет 1-20. При указанном соотношении размеров осуществляется устойчивая генерация пучка ионов в процессе выполнения различных технологических операций с различной шириной выходного отверстия. Так, например, для ионного распыления требуется узкое выходное отверстие, а для ионного нанесения покрытий - широкое отверстие. Соблюдение установленного соотношения позволяет генерировать интенсивные пучки ионов с требуемым распределением энергии ионов в пучке.

Желательно также, чтобы шероховатость рабочей поверхности анода и поверхностей полюсных наконечников со стороны разрядного канала составляла не более 10 мкм. При отсутствии на рабочей поверхности анода острийных выступов, являющихся концентраторами напряженности электрического поля, исключается локальный перегрев поверхности анода из-за электрических пробоев межэлектродного промежутка, повышается устойчивость разряда и вследствие этого увеличивается ресурс и повышается надежность источника ионов.

В преимущественном варианте выполнения источника ионов используется газораспределитель, содержащий по меньшей мере один газораспределительный блок с выходными каналами, равномерно расположенными вдоль замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов. Выходные каналы газораспределительного блока имеют одинаковое сечение и сообщены с общим входным отверстием через параллельно-последовательно соединенные линейные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление. Выходные каналы соединяются с коллектором, к которому подключены параллельно-последовательно соединенные каналы между двумя соседними выходными каналами, а между двумя соседними входами в коллектор параллельно - последовательно соединенных каналов расположены два выходных канала. Описанное выполнение газораспределителя обеспечивает равенство расходов газа через каждый выходной канал, равномерность подачи рабочего газа по сечению разрядного канала между анодом и катодом и, следовательно, однородность плотности тока по сечению ионного пучка.

Газораспределительный блок может быть размещен в корпусе источника ионов со стороны, противоположной выходному отверстию, или являться частью магнитной системы. В последнем случае по меньшей мере часть газораспределительного блока служит элементом магнитопровода.

Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается также с помощью источника ионов с ленточным пучком, выполненного согласно второму варианту изобретения. Источник ионов так же, как и в первом варианте изобретения содержит корпус с замкнутым выходным отверстием для эмиссии ионов, анод, расположенный внутри корпуса напротив выходного отверстия, газораспределитель, сообщенный с полостью корпуса, катод, по меньшей мере частью которого служит корпус, и магнитную систему, в состав которой входит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы в виде постоянного магнита. Источник магнитодвижущей силы устанавливается с внешней стороны корпуса вдоль кромки замкнутого выходного отверстия. Торцевая стенка корпуса, в которой выполнено замкнутое выходное отверстие, изготовлена из магнитопроводящего материала. Части этой торцевой стенки, разделенные замкнутым выходным отверстием, служат полюсными наконечниками магнитной системы, которые образуют первый магнитный зазор. В состав магнитной системы входят полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутого выходного отверстия, расположенный напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Причем источник магнитодвижущей силы установлен в пространстве между полюсными наконечниками первого и второго зазоров.

Согласно второму варианту изобретения отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками первого и второго магнитных зазоров вдоль направления эмиссии ионов составляет не менее 0,05. Полюсные наконечники, образующие второй межполюсный зазор, должны быть электроизолированы от корпуса и от полюсных наконечников, образующих первый межполюсный зазор.

Второй вариант изобретения так же, как и первый вариант обеспечивает повышение интесивности ионного пучка за счет создания оптимального распределения магнитного поля, в результате чего осуществляется стабилизация разряда и повышается эффективность ускорения ионов при однородном распределении плотности тока по сечению пучка. Наряду с этим появляется возможность регулирования величины энергии ионов в пучке за счет управления потенциалом на полюсных наконечниках второго межполюсного зазора или фиксирования величины потенциала на заданном уровне.

Согласно второму варианту изобретения корпус источника ионов может быть полностью выполнен из магнитопроводящего материала.

Так же, как и в первом варианте изобретения магнитная система может включать в свой состав постоянные магниты, установленные между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль противоположных кромок замкнутого выходного отверстия. Векторы индукции поля постоянных магнитов, расположенных у противоположных кромок выходного отверстия, ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность.

Для генерации магнитного поля в межполюсных зазорах магнитной системы источника ионов согласно самостоятельному пункту формулы изобретения может использоваться только один постоянный магнит в качестве источника магнитодвижущей силы.

В целях электроизоляции полюсных наконечников второго межполюсного зазора постоянные магниты выполняются из материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Электроизоляция может быть обеспечена за счет установки между полюсными наконечниками, образующими второй межполюсный зазор, и постоянными магнитами диэлектрических вставок. В данном случае полюсные наконечники могут находиться под плавающим потенциалом в процессе работы источника ионов.

В другом конструктивном исполнении полюсные наконечники, образующие первый н второй межполюсные зазоры, могут быть подключены к полюсам противоположной полярности источника напряжения. При таком выполнении появляется возможность регулирования интенсивности генерируемого ионного пучка и энергии ионов посредством управления потенциалом полюсных наконечников второго межполюсного зазора.

В предпочтительном варианте конструкции источника ионов может использоваться внутренняя перемычка, соединяющая противоположные торцевые стенки корпуса. Анод в этом случае выполняется замкнутой формы, повторяющей форму выходного отверстия, и устанавливается вокруг внутренней перемычки корпуса.

Для генерации протяженных ленточных пучков используются межполюсные зазоры, образующие замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов, в виде замкнутой эмиссионной щели. Замкнутая щель состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах криволинейными участками.

С целью расширения функциональных возможностей источника ионов ширина одного из прямолинейных участков по меньшей мере одного из межполюсных зазоров может быть больше ширины второго прямолинейного участка этого межполюсного зазора. При этом возможно выполнение двух последовательно расположенных межполюсных зазоров с различной шириной прямолинейных участков.

Для увеличения ресурса и надежности устройства желательно также, чтобы шероховатость рабочей поверхности анода и рабочих поверхностей полюсных наконечников со стороны разрядного канала составляла не более 10 мкм.

В преимущественном варианте выполнения источника ионов используется газораспределитель, содержащий по меньшей мере один газораспределительный блок с выходными каналами, равномерно расположенными вдоль замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов. Выходные каналы газораспределительного блока имеют одинаковое сечение и сообщены с общим входным отверстием через параллельно-последовательно соединенные линейные каналы, имеющие равное газодинамическое сопротивление. Выходные каналы соединяются с коллектором, к которому подключены параллельно-последовательно соединенные каналы между двумя соседними выходными каналами, а между двумя соседними входами в коллектор параллельно-последовательно соединенных каналов расположены два выходных канала. Данное выполнение газораспределителя обеспечивает равенство расходов газа через каждый выходной канал.

Газораспределительный блок может быть размещен в корпусе со стороны, противоположной выходному отверстию для эмиссии ионов, или являться частью магнитной системы. В последнем случае по меньшей мере часть газораспределительного блока служит элементом магнитопровода.

Далее варианты изобретения поясняются описанием конкретных примеров их реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее: на фиг.1 схематично изображено поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно первому варианту изобретения; на фиг.2 - вид на источник ионов, изображенный на фиг.1, со стороны выходного отверстия для эмиссии ионов; на фиг. 3 - схематично поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно первому варианту изобретения, с использованием только внешних постоянных магнитов; на фиг. 4 - график изменения величины поперечной составляющей индукции магнитного поля вдоль направления Х эмиссии ионов для источника, изображенного на фиг.3; на фиг. 5 - схема взаимодействия генерируемых магнитных полей в межполюсных зазорах магнитной системы; на фиг.6 - схематично разрез части корпуса источника ионов с газораспределителем (в плоскости выходных каналов); на фиг. 7 - разрез газораспределителя, изображенного на фиг.6, по плоскости разъема деталей в направлении А; на фиг. 8 - разрез газораспределителя, изображенного на фиг.6, по плоскости разъема деталей в направлении В; на фиг. 9 - схематично поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения с одним источником напряжения и дополнительными постоянными магнитами; на фиг.10 - схематично поперечное сечение источника ионов; на фиг.11 - схематично поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения с двумя источниками напряжения и дополнительными постоянными магнитами; на фиг. 12 - схематично изображено поперечное сечение источника ионов, выполненного согласно второму варианту изобретения с двумя источниками напряжения.

Изобретение поясняется приводимыми ниже примерами реализации, которые относятся к использованию источника ионов для генерации протяженных ленточных пучков. Отличительной особенностью данных примеров реализации источника ионов является выполнение замкнутого выходного отверстия для эмиссии ионов в форме протяженной замкнутой эмиссионной щели (данный термин далее используется для рассматриваемого частного примера выполнения выходного отверстия для эмиссии ионов).

Источник ионов, выполненный согласно первому варианту изобретения (см. фиг. 1, 2, 3), состоит из корпуса 1, в торцевой стенке 2 которого выполнено замкнутое выходное отверстие для эмиссии ионов в форме протяженной -замкнутой эмиссионной щели. Анод 3 установлен внутри корпуса 1 напротив эмиссионной щели. В состав источника входит также газораспределитель, который может быть конструктивно совмещен с анодом 3. В состав магнитной системы устройства входят источники магнитодвижущей силы, полюсные наконечники и магнитопроводящая стенка 4 корпуса 1. Источники магнитодвижущей силы выполняются в виде постоянных магнитов 5 и 6, которые установлены с внешней стороны корпуса 1 вдоль кромок замкнутой эмиссионной щели. Торцевая стенка 2 изготовлена из магнитопроводящего материала и также является частью магнитной системы. Части стенки 2, разделенные замкнутой эмиссионной щелью, служат полюсными наконечниками 7 и 8, которые образуют первый по направлению эмиссии ионов межполюсный зазор. В состав магнитной системы входят также полюсные наконечники 9 и 10, образующие второй межполюсный зазор в форме замкнутой эмиссионной щели (см. фиг.2), который расположен напротив первого межполюсного зазора в направлении эмиссии ионов. Постоянные магниты 5 и 6 установлены между полюсными наконечниками первого и второго межполюсных зазоров вдоль противоположных кромок выходного отверстия (замкнутой эмиссионной щели). При этом векторы индукции поля магнитов 5 и 6 ориентированы параллельно направлению эмиссии ионов и имеют противоположную направленность за счет соответствующей ориентации магнитных полюсов (N-S, S-N).

Магнитопроводящие торцевые стенки 2 и 4 образуют вместе с полюсными наконечниками 7, 8 и 9,10 разомкнутый магнитопровод, с помощью которого создается распределение магнитного поля с заданной величиной градиента поля у рабочей поверхности анода 3. Торцевая стенка 4 выполняется из магнитопроводящей стали и выполняет функцию магнитного шунта для магнитного поля рассеяния, создаваемого источниками магнитодвижущей силы. Такой магнитный шунт устанавливается с тыльной стороны корпуса 1 (со стороны, противоположной выходному отверстию для эмиссии ионов).

Заданное распределение магнитного поля в первом и втором межполюсных зазорах обеспечивается за счет выбранного соотношения размеров элементов магнитопровода. Отношение ширины каждого из межполюсных зазоров к расстоянию между полюсными наконечниками 7, 8 первого межполюсного зазора и полюсными наконечниками 9, 10 второго межполюсного зазора вдоль направления эмиссии ионов выбирается не менее 0,05. Данное условие определяет квадрупольное распределение магнитного поля в четырехполюсной магнитной линзе, образованной двумя парами полюсных наконечников 7, 8 и 9,10, и обуславливает взаимное влияние собственных магнитных полей дрейфовых электронных токов и магнитного поля, создаваемого с помощью магнитной системы. В рассматриваемом примере конкретного выполнения магнитопровода (см. фиг.1 и 3) отношение ширины первого межполюсного зазора к расстоянию между парами полюсных наконечников 7, 8 и 9, 10 составляет ~ 0,5, а соответствующее отношение для второго межполюсного зазора ~ 1,5, что удовлетворяет выбранному ограничению размеров.

Изменение поперечной составляющей индукции В магнитного поля в направлении Х эмиссии ионов для выбранной геометрии магнитной системы показано пунктирной линией на графике, изображенном на фиг.4 (сплошная линия на фиг.4 изображает кривую изменения поперечной составляющей индукции В магнитного поля при использовании магнитной системы без магнитного шунта). Распределение магнитного поля в межполюсных зазорах для выбранной геометрии магнитной системы с учетом полей, индуцируемых холловскими токами, показано на фиг.5.

Катодом в рассматриваемом примере конкретного выполнения источника ионов служит корпус 1 с полюсными наконечниками 7, 8 и полюсные наконечники 9,10 второго межполюсного зазора. Указанные полюсные наконечники соединены с отрицательным полюсом источника напряжения 11. Положительный полюс источника напряжения 11 соединен с анодом 3.

Корпус 1 источника ионов имеет внутреннюю перемычку 12, соединяющую противоположные торцевые стенки. Анод 3 выполнен замкнутой формы, повторяющей форму замкнутой эмиссионной щели, и установлен вокруг внутренней перемычки 12 корпуса 1. Часть корпуса вместе с внутренней перемычкой 12 может быть выполнена из немагнитного материала (фиг.3). В предпочтительном примере выполнения источника ионов (фиг.1) в качестве внутренней перемычки 12 используется дополнительный постоянный магнит. Вектор индукции поля такого магнита (перемычки 12) ориентирован параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность (за счет соответствующей полярности магнита) по отношению к вектору индукции поля магнита 6, установленного с внешней стороны корпуса 1.

В примере выполнения источника ионов, показанном на фиг.1, вокруг анода 3 между магнитопроводящими торцевыми стенками 2 и 4 корпуса 1 установлен дополнительный постоянный магнит 13 замкнутой формы. Вектор индукции поля (полярность магнита) дополнительного магнита 13 ориентирован параллельно направлению эмиссии ионов и имеет противоположную направленность по отношению к вектору индукции поля постоянного магнита 5, установленного напротив него с внешней стороны корпуса 1.

Межполюсные зазоры, образованные между парами полюсных наконечников 7, 8 и 9, 10, образуют замкнутую выходную щель для эмиссии ионов. Каждый зазор состоит из двух параллельных прямолинейных участков, замкнутых на концах замыкающими криволинейными участками (см. фиг.2). В рассматриваемом примере выполнения источника ионов, предназначенного для выполнения различных технологических операций, ширина С₁ первого прямолинейного участка первого межполюсного зазора больше ширины С₂ второго прямолинейного участка того же зазора.

Отношение ширины (C₁ или C₂) первого межполюсного зазора к величине зазора L между поверхно

Источник ионов (варианты)

Патент 2187218