Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ИСТОЧНИК ИОНОВ
ИСТОЧНИК ИОНОВ

ИСТОЧНИК ИОНОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: для обработки изделий в вакуумной камере пучком большего сечения ионов или быстрых нейтральных молекул инертных и химически активных газов с целью очистки и повышения адгезии наносимых покрытий, распыления материалов, ионно-химического травления, полировки поверхности, а также с целью упрочнения и модификации поверхности имплантацией ускоренных частиц. Сущность изобретения: полый катод газоразрядной камеры источника ионов выполнен в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов. Один из соседних катодных элементов в любой смежной паре расположен с частичным охватом другого с зазором между их взаимообращенными поверхностями. Величина зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой, образующейся в его полости. Указанное расположение катодных элементов исключает проникновение разрядной плазмы и эмиттируемых с ее границы ионов в зазоры между катодными элементами. Следовательно, исключается распыление корпуса газоразрядной камеры и ее конструктивных элементов, расположенных между катодом и корпусом, ускоренными ионами. В результате не происходит запыления металлом изоляторов и увеличивается срок службы источника ионов. Каждый катодный элемент может быть соединен с источником разрядного напряжения через отдельный резистор. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2008739
Класс(ы) патента: H01J27/04
Номер заявки: 5040212/25
Дата подачи заявки: 28.04.1992
Дата публикации: 28.02.1994
Заявитель(и): Научно-производственное предприятие "НОВАТЕХ"
Автор(ы): Метель А.С.
Патентообладатель(и): Научно-производственное предприятие "НОВАТЕХ"
Описание изобретения: Изобретение относится к области обработки изделий в вакуумной камере пучком большого сечения ионов или быстрых нейтральных молекул инертных или химически активных газов с целью очистки и повышения адгезии наносимых покрытий, распыления материалов, ионно-химического травления, полировки поверхности, а также для упрочнения и модификации поверхности имплантацией ускоренных частиц.
Известен источник ионов, в котором имитирующая ионы плазма образуется в тлеющем разряде с холодным полым катодом, образованным соединенными между собой электрически цилиндром, торцевой диафрагмой с центральным отверстием и эмиссионной стенкой с эмиссионными отверстиями на противоположном торце цилиндра. Анод разряда располагается снаружи полого катода вблизи отверстия в диафрагме [1] .
Недостатком такого источника является ограничение тока разряда, а, следовательно, и тока ионного пучка, переходами тлеющего разряда в дуговой, нарушающими однородность пучка, его массовый состав и приводящими к пробою ускоряющего промежутка.
Наиболее близок по технической сущности к изобретению - источник ионов, содержащий установленные внутри герметического корпуса эмиссионную сетку, чашеобразный холодный полый катод, открытый в направлении сетки, и анод, соединенный с положительным полюсом источника разрядного напряжения. Полый катод выполнен в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов, соединенных с отрицательным полюсом источника разрядного напряжения через отдельные резисторы. Это исключает переход тлеющего разряда в дугу при больших разрядных точках. Катодные элементы устанавливаются с изоляционными зазорами между ними на отдельных изолированных друг от друга катододержателях, установленных на керамических изоляторах между полым катодом и задней стенкой корпуса [2] .
Недостаток источника состоит в ограниченном сроке службы из-за распыления стенок корпуса и других конструктивных элементов поступающими через зазоры между катодными элементами из плазмы внутри полого катода ионами, ускоренными приложенным между анодом и корпусом напряжением, а также из-за поступления через зазоры на керамические изоляторы распыленного материала катодных элементов и материала обрабатываемых ионным пучком изделий, поступающего из технологической вакуумной камеры в полый катод через эмиссионную сетку высокой прозрачности. Запыление изоляторов приводит к электрическим пробоям и требует их периодической замены.
Цель изобретения - увеличение срока службы источника ионов.
Поставленная цель достигается тем, что в источнике ионов, содержащем корпус, эмиссионную сетку, установленные внутри корпуса анод и открытый в направлении сетки полый катод, выполненный в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов, подключенных к системе электропитания, согласно изобретению один из соседних катодных элементов в любой смежной паре расположен с частичным охватом наружной поверхности другого с зазором между охватываемой и охватывающей поверхностями, при этом величина указанного зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой внутри него.
Система электропитания может содержать по меньшей мере, один источник разрядного напряжения, соединенный соответствующими полюсами с анодом и катодными элементами.
Система электропитания в другом варианте может содержать по меньшей мере два источника разрядного напряжения, отрицательный полюс каждого из которых соединен по меньшей мере с одним катодным элементом.
Целесообразна конструкция источника ионов, в котором каждый катодный элемент соединен с источником разрядного напряжения через отдельный резистор.
Расположение соседних элементов полого катода с частичным охватом одного наружной поверхности другого с зазором между охватываемой и охватывающей поверхностями, величиною, не превышающей удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой внутри него, исключает проникновение разрядной плазмы и эмитируемых с ее границы ионов в зазоры, а в результате исключает распыление корпуса и конструктивных элементов, расположенных между катодом и корпусом, ускоренными ионами и загрязнение изоляторов. Охват одних катодных элементов другими также перекрывает путь потокам материала распыляемых катодных элементов и материала обхватываемых пучком в рабочей технологической камере изделий. Все это предохраняет изоляторы от запыления и электрических пробоев. В результате увеличивается срок службы источника.
При подключении катодных элементов к отрицательным полюсам нескольких источников разрядного напряжения, возможно использовать источники с ограниченным током, не превышающим минимального тока устойчивого горения вакуумной дуги. Это исключает переход сильноточного тлеющего разряда с полым катодом в дугу и позволяет, увеличивая число катодных элементов и источников разрядного напряжения, практически неограниченно повышать ток тлеющего разряда, а следовательно, и ток ионного пучка.
При использовании источников разрядного напряжения с током, превышающим минимальный ток устойчивого горения вакуумной дуги Iо, соединение с ними катодных элементов через отдельные резисторы с сопротивлением R > Uр/Iо, где Uр - максимальное напряжение источника, также исключает переход тлеющего разряда в дугу при сколь угодно больших токах разряда и ионного пучка.
На фиг. 1 показан источник ионов с системой электропитания, включающей один источник разрядного напряжения; на фиг. 2 - источник ионов с системой электропитания, включающей два источника разрядного напряжения, источник ускоряющего напряжения и источник сеточного напряжения.
Источник ионов содержит установленный на окне (люке) вакуумной камеры 1 герметичный корпус 2, внутри которого установлены эмиссионная кассета 3, анод 4 и открытый в направлении сетки полый катод, например, в форме параллелепипеда, выполненный в виде набора отдельных изолированных друг от друга катодных элементов 5, 6, 7, например, торцовых 5 и П-образных 6, 7, резисторы 8, источник 9 разрядного напряжения.
Источник ионов (фиг. 2) содержит дополнительный источник 9 разрядного напряжения, источник 10 ускоряющего напряжения и источник 11 сеточного напряжения.
Один из соседних катодных элементов (5 или 7) расположен с частичным охватом наружной поверхности другого (6) с зазором 12 между охватываемой и охватывающей поверхностями, причем ширина зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя 13 объемного положительного заряда между катодом и плазмой 14 внутри него. Катодные элементы крепятся на отдельных катододержателях, установленных на изоляторах между полым катодом и стенкой корпуса (не показаны).
Источник работает следующим образом. Вакуумная камера 1 с установленным на ней источником ионов откачивается до давления ≈10-3 Па. Подачей ионообразующего газа в ионном источнике устанавливают рабочее давление ≈10-1 Па. Между анодом 4 и катодными элементами 5, 6, 7 прикладывают напряжение в несколько сотен вольт от источников 9 разрядного напряжения. В устройстве по фиг. 2 также от источника 10 ускоряющего напряжения на анод 4 подают относительно камеры 1 высокое напряжение, а от источника 11 сеточного напряжения на сетку 3 подают напряжение отрицательной полярности. Далее инжекцией плазмы из поджигающего устройства в полый катод инициируют стационарный разряд между анодом и катодом. В результате полый катод заполняется однородной плазмой 14, эмитирующей ионы на катод, на сетку и через отверстие в ней - в вакуумную камеру на обрабатываемые изделия.
В источнике (фиг. 2) энергия ионов, поступающих через ячейки сетки в вакуумную камеру на обрабатываемые изделия, соответствует высокому ускоряющему напряжению источника 10. При этом отрицательное напряжение на сетке от источника 11 блокирует поступление в полый катод из вакуумной камеры встречного электронного пучка. Это предохраняет катод от перегрева и повышает КПД источника ионов. Эмиссия ионов через зазоры между катодными элементами отсутствует из-за охвата одних катодных элементов другими с достаточно малой шириной зазора между их взаимообращенными охватываемой и охватывающей поверхностями. Через отверстия сетки в полый катод из камеры поступает материал распыляемых пучком изделий. Катод непрерывно очищается от загрязнений ионами из плазмы. Поступление материала катода и обрабатываемых изделий через зазоры практически полностью блокируется перекрытием соседних катодных элементов, один из которых охватывает другой.
Приведен пример конкретного исполнения источника пучка ионов прямоугольного сечения 20 x25 см2, вытягиваемого из однородной плазмы полого катода длиной 25 см, шириной 20 см и высотой 10 см. Конструкция катода соответствует фиг. 1. Он содержит два торцовых и пять П-образных катодов. Нечетные П-образные катоды длиной по 5 см - охватываемые, четные - охватывающие, длиною по 8 см. Торцовые катоды имеют отбортовку, охватывающую крайние П-образные катоды, длиной ≈1,5 см. Центральная зона внешней поверхности каждого охватываемого катода шириною 2 см открыта и достаточна для их установки на катододержателях. Максимальная плотность тока ионов на катоде равна плотности тока на сетке и при токе пучка 2А и токе ускоренных ионов в цепи сетки 0,5А (прозрачность сетки 80% ) составляет 5мА/см2. При использовании аргона в качестве ионообразующего газа указанной плотности тока при разрядном напряжении 400В соответствует минимальная ширина слоя между катодом и плазмой внутри него, равная согласно закону "трех вторых" 1,2 мм. Поэтому ширина зазора между охватываемыми и охватывающими катодными элементами, равная 2 мм, меньше удвоенной ширины слоя и исключает проникновение плазмы в зазоры. Контактирующие с плазмой поверхности всех катодов имеют одинаковые площади: по 200 см2 и в цепи каждого протекает максимальный ток 1А. Общий ток в цепи катода 7А, а ток в цепи анода 9,5А. При максимальном напряжении источника разрядного напряжения 600В, разрядном напряжении 400В и минимальном токе устойчивого горения вакуумной дуги для катодных элементов из нержавеющей стали Iо = 5А соединение катодных элементов с источниками разрядного напряжения через резисторы сопротивлением по 200 Ом ограничивает ток в цепи отдельного элемента величиной 600В/200 Ом = 3А < iо, что исключает переход тлеющего разряда в дугу. Если источник с одинаковыми П-образными катодами и зазорами, позволяющими ионам бомбардировать конструктивные элементы за катодом, требует замены керамических изоляторов через 20-30 ч работы, то срок службы источника ионов с охватывающими и охватываемыми катодными элементами составляет сотни часов и определяется в основном толщиной распыляемой эмиссионной сетки.
Предлагаемый источник отличается повышенными надежностью и сроком службы, а также позволяет обеспечить дугозащищенность секционированного полого катода без джоулевых потерь в резисторах при соединении катодных элементов с отдельными источниками разрядного напряжения с ограниченными токами, меньшими минимального тока устойчивого горения вакуумной дуги. (56) 1. Стогний А. И. и др. Исследование эмиссии ионов из самостоятельного разряда низкого давления без магнитного поля. VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. Томск. ИСЭСО АН СССР, 1986, ч. 1, с. 52-54, рис. 1.
2. Метель А. С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. Сб. : Плазменная эмиссионная электроника. Тезисы докладов Улан-Удэ. Бурятский институт естественных наук СО АН СССР, 1991, с. 77-81, рис. 2.
Формула изобретения: 1. ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий корпус, эмиссионную сетку, установленный внутри корпуса анод и открытый в направлении сетки полый катод, выполненный в виде набора отдельных электроизолированных друг от друга катодных элементов, подключенных к системе электропитания, отличающийся тем, что один из соседних катодных элементов в любой смежной паре расположен с частичным охватом наружной поверхности другого с зазором между охватываемой и охватывающей поверхностями катодных элементов, при этом величина зазора не превышает удвоенной минимальной ширины слоя объемного положительного заряда между катодом и плазмой, образующейся в его полости.
2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что система электропитания содержит по меньшей мере один источник разрядного напряжения, соединенный соответствующими полюсами с анодом и катодными элементами.
3. Источник по п. 2, отличающийся тем, что система электропитания содержит по меньшей мере два источника разрядного напряжения, отрицательный полюс каждого из которых соединен по меньшей мере с одним катодным элементом.
4. Источник по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что каждый катодный элемент соединен с источником разрядного напряжения через отдельный резистор.