8. Конструкции и параметры источников ионов.

Ионные источники отличаются принципом действия и своими параметрами. Одним из наиболее интенсивных источников является дуоплазмотрон - прибор с двойным контрагированием разрядной плазмы (рис. 1).

Рис.1. Схема дуоплазмотрона:

1-катод; 2-промежуточный электрод; 3-анод;

4-магнитная катушка; 5-экстрактор; 6-ионный пучок.

Разряд поджигается между катодом 1 и промежуточным электродом 2, затем перебрасывается на анод 3. Первичное сжатие плазмы осуществляется за счет сужения разрядной камеры, а вторичное сжатие – сильно неоднородным магнитным полем.

Магнитное поле создается катушкой 4, электроды 2 и 3 служат магнитопроводом и область максимального поля находится между этими электродами. На экстрактор 5 подаётся извлекающее напряжение.

В стационарном режиме в выходном отверстии дуоплазмотрона достигается плотность тока ионов водорода до 200 А/см².

( От сюда )В технологических операциях микроэлектроники часто требуются пучки с большой апертурой и однородной плотностью. Из таких источников большое распространение получил источник Кауфмана (рис.2).

10. Рис.2. Схема источника Кауфмана:

1-камера; 2-катод; 3-анод;4-магнитная катушка;

5-ионный пучок; 6-экстрактор.

В газоразрядной камере 1 разряд горит между накаленным катодом 2 и анодом 3 в аксиальном магнитным поле, создаваемым катушкой электромагнита 4. Ионный пучок формируется двухэлектродной многоапертурной ионно-оптической системой.

Высокая степень ионизации рабочего газа достигается тем, что электроны движутся к аноду в скрещенных  полях по длинным циклоидальным траекториям. Это позволяет снизить рабочее давление в камере. На среднюю сетку извлекающей системы подается небольшой отрицательный потенциал относительно последней сетки, чтобы вторичные электроны из пучка не бомбардировали и не разрушали первую сетку. Характерный ток пучка данного источника 0,2 А, а плотность тока - 0,1 мА/см².

Для получения пучков ленточной формы часто применяются генераторы плазмы на основе разряда Пеннинга.

В разряде Пеннинга используются катоды как накаленные, так и холодные, которые поставляют электроны в разряд за счет вторичной ион-электронной эмиссии. Извлечение ионов из разряда производится через узкую длинную щель в аноде. Одна из конструкций источника с холодными катодами представлена на рис. 3.

Рис.3. Источник с осцилляцией электронов:

1-катоды; 2-анодная камера; 3-экстрактор 4-ионный пучок.

Электроны осциллируют вдоль магнитного поля между холодными катодами 1, производя эффективную ионизацию рабочего газа. Газ в анодную камеру 2 поступает через распределитель. Пучок формируется экстрактором 3 с узкой длинной щелью. В отличие от дуоплазмотрона, извлечение ионов производится поперек магнитного поля.

Существуют ионные источники, в которых отсутствует газоразрядная плазма. В источниках с поверхностной ионизацией ионы образуются при прохождении пара рабочего вещества сквозь пористое вещество. При этом необходимо, чтобы энергия ионизации пара была меньше работы выхода электронов ионизатора . Схема подобного источника показана на рис.4.

Рис.4. Схема источника с поверхностной ионизацией:

1-испаритель; 2-пористый вольфрам; 3-ионный пучок;

4-экстрактор, 5-нагреватель.

Рабочее вещество – цезий – переводится в парообразное состояние в испарителе 1 и подается к выходной стенке 2, выполненной из спеченного вольфрама, имеющего достаточную пористость для прохода паров Cs.

Потенциал ионизации цезия равен 3,89 В, а работа выхода для вольфрама 4,52 эВ. Ионизация цезия происходит на поверхности, обращенной к ускоряющему промежутку (рис. 4).

Ячейки ионизатора могут иметь вогнутую форму для уменьшения расходимости микропучков.

При температуре вольфрама 1500 К возможно получение эмиссионной плотности тока до 100 мА/см².

Преимуществом источников данного типа является малый разброс ионов пучка по энергии (0,2 - 0,5) эВ. В пучке отсутствуют ионы примесей и многозарядные ионы, а сами ионы не возбуждены.

Для получения ионов из твердотельных мишеней используются лазерно-плазменные источники ионов, в которых плазма образуется при падении сфокусированного излучения лазера на поверхность мишени (рис. 5).

Рис.5. Схема лазерного источника ионов:

1-лазер; 2-мишень; 3,4,5-электроды экстрактора; 6-камера.

Излучение лазера 1, работающего в частотном режиме, фокусируется на поверхности мишени 2. Ускорение и формирование пучка осуществляется ионно-оптической системой (электроды 3, 4 и 5) с границы плазмы, фиксированной сеткой экспандера.

Основным достоинством лазерно-плазменных источников является возможность получения ионов любых твердых веществ; применение соответствующих мишеней позволяет получать пучки заданного стехиометрического состава.