RU2035790C1

RU2035790C1 - Hollow cathode of plasma emitter of ions

Info

Publication number: RU2035790C1
Authority: RU
Inventors: А.С. Метель
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новатех"
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: vacuum equipment. SUBSTANCE: cathode of plasma emitter has side and face walls forming space with emission holes limited by side walls. Lateral dimension of space from face wall to opposite open surface of emission hole in its central part is chosen smaller than corresponding dimension of space close to two opposite side walls. Cathode space can be formed by several insulated cathode elements. Such make of hollow cathode it possible to increase uniformity of distribution of density of ion current. EFFECT: increased uniformity of distribution of density of ion current. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядным генераторам плазмы, в том числе к генераторам эмитирующей ионы плазмы устройств для ионно-плазменной обработки изделий и источников ионов для обработки изделий ионным пучком. The invention relates to gas-discharge plasma generators, including generators of a plasma-ion-emitting device for ion-plasma processing of products and ion sources for processing products by an ion beam.

Известен полый катод плазменного эмиттера ионов конической формы объемом 8 л, образованный 44 коаксиальными кольцами из нержавеющей стали толщиной 3 мм, электроизолированными друг от друга зазорами 1,5 мм. Он имеет два коаксиальных торцовых отверстия диаметрами 60 и 260 мм. Первое отверстие перекрыто полым анодом разрядной камеры, а второе эмиссионной сеткой [1]
Недостатками полого катода являются сравнительно низкий коэффициент извлечения ионов из плазмы внутри катода, не превышающий 13% и сравнительно высокая неоднородность распределения плотности тока ионной эмиссии. Лишь в центральной зоне эмиссионной сетки с площадью 60% от ее общей площади неоднородность составляет 10% а на 40% площади поверхности сетки она в несколько раз выше.Known hollow cathode of a plasma emitter of conical-shaped ions with a volume of 8 l, formed by 44 coaxial rings of stainless steel with a thickness of 3 mm, electrically insulated from each other by gaps of 1.5 mm It has two coaxial end openings with diameters of 60 and 260 mm. The first hole is blocked by a hollow anode of the discharge chamber, and the second by an emission grid [1]
The disadvantages of the hollow cathode are the relatively low coefficient of extraction of ions from the plasma inside the cathode, not exceeding 13% and the relatively high heterogeneity of the distribution of current density of ion emission. Only in the central zone of the emission network with an area of 60% of its total area, the heterogeneity is 10%, and 40% of the surface area of the network is several times higher.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полый катод [2] в форме параллелепипеда, открытого с одной стороны, являющийся катодом газоразрядной камеры источника ионов [2] Источник ионов формирует пучок с сечением, практически совпадающим по форме с открытой в направлении эмиссионной сетки стороной полого катода. Распределение плотности ионного тока по сечению пучка достаточно однородно в центральной зоне сечения. Это обеспечивается достаточной однородностью эмиттирующей ионы плазмы внутри катода, поддерживаемой ионизацией газа многократно пролетающими через плазму и отражающимися в катодных слоях быстрыми электронами. Последние проходят путь, на несколько порядков превышающий размеры катода, и успевают побывать во всех его частях до поглощения анодом. Однако через центр катодной полости электроны пролетают чаще, чем вблизи ее боковой поверхности. Поэтому концентрация плазмы уменьшается вблизи боковой поверхности катода, а плотность тока ионов уменьшается вблизи границы сечения пучка. The closest in technical essence to the invention is a hollow cathode [2] in the form of a parallelepiped, open on one side, which is the cathode of the gas discharge chamber of the ion source [2] The ion source forms a beam with a cross section that practically coincides in shape with the hollow side open in the direction of the emission network cathode. The distribution of the ion current density over the beam cross section is fairly uniform in the central section zone. This is ensured by sufficient uniformity of the plasma emitting the ions inside the cathode, supported by the ionization of the gas by multiple electrons flying through the plasma repeatedly and reflected in the cathode layers by fast electrons. The latter travel a path several orders of magnitude larger than the cathode, and manage to visit all its parts before being absorbed by the anode. However, electrons fly through the center of the cathode cavity more often than near its lateral surface. Therefore, the plasma concentration decreases near the lateral surface of the cathode, and the ion current density decreases near the boundary of the beam cross section.

Недостаток устройства состоит в неоднородности распределения плотности тока ионов, извлекаемых из плазмы через открытую сторону полого элемента катода, по сечению ионного пучка, что является причиной неравномерности обработки изделий ионами. The disadvantage of this device is the heterogeneity of the distribution of the current density of ions extracted from the plasma through the open side of the hollow element of the cathode over the cross section of the ion beam, which is the reason for the uneven treatment of the products with ions.

Цель изобретения увеличение однородности распределения плотности тока ионов из катода плазменного эмиттера ионов. The purpose of the invention is to increase the uniformity of the distribution of ion current density from the cathode of a plasma ion emitter.

Цель достигается тем, что полый катод плазменного эмиттера ионов, содержащий боковые и торцовую стенки, образующие полость с эмиссионным отверстием, ограниченным боковыми стенками, согласно изобретению выполнен с поперечным размером полости от торцовой стенки до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия в ее центральной части меньшим, чем соответствующий размер полости вблизи по меньшей мере двух противолежащих боковых стенок. The goal is achieved in that the hollow cathode of a plasma ion emitter containing side and end walls forming a cavity with an emission hole bounded by side walls according to the invention is made with a transverse cavity size from the end wall to the opposite open surface of the emission hole in its central part less than an appropriate cavity size in the vicinity of at least two opposite side walls.

Кроме того, полость может быть образована по меньшей мере, двумя электроизолированными друг от друга катодными элементами. In addition, the cavity can be formed by at least two cathode elements electrically insulated from each other.

При поперечном размере Н полости катода вблизи его боковых стенок, превышающем ее поперечный размер h от торцовой стенки до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия в центральной части этой полости, толщина эмиттирующего ионы плазменного слоя внутри полости вблизи боковых стенок превышает толщину слоя в центральной части полости. Увеличение толщины плазменного слоя при неизменной интенсивности ионизации газа в слое приводит к возрастанию плотности тока ионов с эмиттирующей границы соответствующего участка плазменного слоя. Это позволяет в каждом конкретном случае подобрать экспериментальным путем необходимое распределение размеров полости катода (глубины полости), при котором неоднородность распределения плотности тока ионной эмиссии не превышает заданной величины (в большинстве случаев 5% ). When the transverse size H of the cathode cavity near its side walls exceeds its transverse size h from the end wall to the opposite open surface of the emission hole in the central part of this cavity, the thickness of the plasma-emitting plasma layer inside the cavity near the side walls exceeds the layer thickness in the central part of the cavity. An increase in the thickness of the plasma layer with a constant intensity of gas ionization in the layer leads to an increase in the ion current density from the emitting boundary of the corresponding portion of the plasma layer. This allows, in each case, to experimentally select the necessary distribution of the cathode cavity size (cavity depth) at which the heterogeneity of the distribution of the ion emission current density does not exceed a predetermined value (in most cases 5%).

При выполнении полого элемента катода в виде отдельных электроизолированных (расположенных с зазором) друг от друга катодных элементов, образующих полость, необходимое распределение поперечного размера (глубины) полости можно получать надлежащим перемещением отдельных катодных элементов относительно друг друга. Кроме того, возможно соединение отдельных катодных элементов катода с отрицательным полюсом источника электропитания газового разряда через отдельные балластные резисторы, что исключает переходы тлеющего разряда в дугу и уменьшает потери энергии в резисторах. When performing a hollow cathode element in the form of separate electrically insulated (gap-spaced) cathode elements from each other forming a cavity, the necessary distribution of the transverse size (depth) of the cavity can be obtained by proper movement of the individual cathode elements relative to each other. In addition, it is possible to connect the individual cathode elements of the cathode with the negative pole of the gas discharge power supply through separate ballast resistors, which eliminates the transition of the glow discharge into the arc and reduces the energy loss in the resistors.

На фиг. 1 и 2 показан катод прямоугольного сечения длинной L и шириной l; на фиг. 3 источник ионного пучка круглого сечения, содержащий предлагаемый катод. In FIG. 1 and 2 show a cathode of rectangular cross section of length L and width l; in FIG. 3 source of an ion beam of circular cross section containing the proposed cathode.

Полый катод 1 имеет боковые 2 и торцовую 3 стенки, образующие полость 4 с эмиссионным отверстием 5, которое ограничено боковыми стенками 2. В боковой стенке 2 катода выполнено отверстие 6, через которое в полость вводится анод 7. Анод может располагаться и снаружи катода 1 вблизи отверстия 6. Поперечный размер (глубина) Н полости 4 вблизи боковых стенок 2 превышает поперечный размер (глубину) полости 4 от торцовой стенки 3 до противолежащей открытой поверхности эмиссионного отверстия 5 h в центральной ее части. The hollow cathode 1 has side 2 and end 3 walls, forming a cavity 4 with an emission hole 5, which is limited by the side walls 2. In the side wall 2 of the cathode there is a hole 6 through which the anode 7 is inserted into the cavity. The anode can also be located near the cathode 1 near holes 6. The transverse size (depth) H of the cavity 4 near the side walls 2 exceeds the transverse size (depth) of the cavity 4 from the end wall 3 to the opposite open surface of the emission hole 5 h in its central part.

В источнике ионов, содержащем герметичный корпус 8, установленный на окне (люке) рабочей вакуумной камеры 9, эмиссионную сетку 10, источник 11 электропитания разряда, источник 12 ускоряющего и источник 13 сеточного напряжений, катод 1 в виде полого цилиндра установлен внутри корпуса 8 и обращен эмиссионным отверстием 5 в направлении сетки 10. Источник 11 подключен отрицательным полюсом к катоду 1, а положительным к аноду 7 и к положительному полюсу источника 12. Отрицательный полюс последнего подключен к камере 9. Источник 13 подключен положительным полюсом к камере 9, а отрицательным полюсом к сетке 10. In an ion source containing a sealed housing 8 mounted on a window (hatch) of the working vacuum chamber 9, an emission grid 10, a discharge power supply 11, an accelerating source 12 and a grid voltage source 13, the cathode 1 is installed inside the housing 8 in the form of a hollow cylinder and is turned by the emission hole 5 in the direction of the grid 10. The source 11 is connected to the cathode 1 by the negative pole and the source 12 to the positive pole of the anode 7. The negative pole of the latter is connected to the chamber 9. Source 13 is connected to the positive Luce to chamber 9 and the negative pole 10 to the grid.

Преимущества предлагаемого катода плазменного эмиттера ионов раскрываются в примере его использования в источнике ионов. The advantages of the proposed cathode of a plasma ion emitter are disclosed in an example of its use in an ion source.

Источник ионов работает следующим образом. The ion source works as follows.

Вакуумную камеру 9 (фиг. 3) откачивают до давления 10^-3Па. Подачей ионообразующего газа устанавливают внутри полости катода рабочее давление от 0,05 до 0,5 Па. Между катодом 1 и анодом 7 прикладывают разрядное напряжение порядка 0,5 кВ от источника 11. На анод 7 подают ускоряющее напряжение источника 12, превышающее разрядное. От источника 13 на сетку 10 подают напряжение отрицательной полярности. С помощью поджигающего устройства инициируют стационарный тлеющий разряд с полым катодом. В результате полость 4 катода 1 заполняется достаточно однородной плазмой 14, отделенной от его стенок 2, 3 катодным слоем 15 положительного объемного заряда. Ускоренные в слое 16 между плазмой 14 и сеткой 10 высокой прозрачности ионы 17 и 16 между плазмой 14 и сеткой 10 высокой прозрачности ионы 17 поступают частично на сетку 10, а через ячейки сетки в камеру 9. Отрицательное напряжение на сетке препятствует поступлению в полость 4 встречного пучка электронов 18 из плазмы 19 внутри камеры 9, что повышает КПД источника ионов. Глубина полости 4 катода 1 возрастает с радиусом. Поэтому толщина эмиттирующего ионы плазменного слоя вблизи боковых стенок 2 превышает толщину слоя в центральной зоне, что приводит к выравниванию радиального распределения плотности ионного тока в пучке.The vacuum chamber 9 (Fig. 3) is pumped out to a pressure of 10 ^-3 Pa. By supplying an ion-forming gas, a working pressure of 0.05 to 0.5 Pa is established inside the cathode cavity. Between the cathode 1 and the anode 7, a discharge voltage of the order of 0.5 kV from the source 11 is applied. An accelerating voltage of the source 12, exceeding the discharge voltage, is applied to the anode 7. From the source 13, a negative polarity voltage is supplied to the grid 10. Using a firing device, a stationary hollow cathode glow discharge is initiated. As a result, the cavity 4 of the cathode 1 is filled with a fairly homogeneous plasma 14, separated from its walls 2, 3 by the cathode layer 15 of a positive space charge. Ions 17 and 16 accelerated in the layer 16 between the plasma 14 and the high transparency grid 10 and the ions 17 between the plasma 14 and the high transparency grid 10 partially enter the grid 10, and through the grid cells into the chamber 9. The negative voltage on the grid prevents the oncoming an electron beam 18 from the plasma 19 inside the chamber 9, which increases the efficiency of the ion source. The depth of the cavity 4 of the cathode 1 increases with radius. Therefore, the thickness of the plasma-emitting plasma layer near the side walls 2 exceeds the thickness of the layer in the central zone, which leads to equalization of the radial distribution of the ion current density in the beam.

Пример конкретного исполнения. В источнике ионов с катодом в виде полого цилиндра диаметром 20 см и глубиной 10 см плотность тока ионной эмиссии имеет максимум на оси пучка. На расстоянии 5 см от оси она уменьшается на 20% а на расстоянии 7,5 см на 50% Вместо указанного в источнике ионов был установлен катод диаметром 20 см с торцовой стенкой, выполненной в виде конуса с вершиной, обращенной внутрь полости. При этом глубина полости линейно возрастала с радиусом от 6 см в центре до 12 см у боковой стенки. В результате радиус зоны с 20%-ной неоднородностью распределения плотности ионного тока возрос до 9 см, а в зоне с радиусом 7,5 см неоднородность не превысила +5%
По сравнению с прототипом предлагаемый катод плазменного эмиттера ионов отличается повышенной однородностью распределения плотности тока ионной эмиссии и обеспечивает однородную обработку пучком большого сечения подложек, установленных в рабочей камере неподвижно.An example of a specific implementation. In an ion source with a cathode in the form of a hollow cylinder with a diameter of 20 cm and a depth of 10 cm, the ion emission current density has a maximum on the beam axis. At a distance of 5 cm from the axis, it decreases by 20% and at a distance of 7.5 cm by 50% Instead of the ions indicated in the source, a cathode with a diameter of 20 cm was installed with an end wall made in the form of a cone with a vertex facing the inside of the cavity. In this case, the cavity depth increased linearly with a radius of 6 cm in the center to 12 cm at the side wall. As a result, the radius of the zone with a 20% heterogeneity of the ion current density distribution increased to 9 cm, and in the zone with a radius of 7.5 cm the heterogeneity did not exceed + 5%
Compared with the prototype, the proposed cathode of a plasma ion emitter is characterized by increased uniformity in the distribution of current density of ion emission and provides uniform processing by a beam of a large cross section of substrates installed motionless in the working chamber.

Claims

1. A hollow cathode of a PLASMA ION EMITTER containing side and end walls forming a cavity with an emission hole bounded by side walls, characterized in that it is made with a transverse cavity size from the end wall to the opposite open surface of the emission hole in its central part smaller than an appropriate cavity size in the vicinity of at least two opposite side walls.

2. The cathode according to claim 1, characterized in that the cavity is formed by at least two cathode elements electrically insulated from each other.