Приборы и техника эксперимента. 1993. № 5. с. 103

ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКА РАВНОМЕРНОЙ ПЛОТНОСТИ В ХОЛЛОВСКОМ ИОННОМ ИСТОЧНИКЕ С ОТКРЫТЫМ ТОРЦОМ.

Описана конструкция и приведены результаты экспериментальных исследований сильноточного низкоэнергетичного холловского ионного источника с открытым торцом. Узел подачи газа в источнике выполнен в виде полого тела конической формы, что позволило создать дополнительную зону новообразования, вынесенную за пределы зоны ускорения. Тормозные характеристики показывают наличие двух групп ионов: основной – с большим разбросом по энергиям, формируемой в зоне ускорения в скрещенных электрическом и магнитном полях, и значительной группы быстрых ионов из внутренней полости узла подачи газа. Благодаря такой конструкции удалось получить широкие ионные пучки с равномерной плотностью тока ионов до 5 мА/см² на диаметре 100 мм при общем токе пучка до 1 А и средней энергии ионов, регулируемой в пределах 20–150 эВ при расходах газа 10–50 см³/мин×атм. Источник прост в изготовлении, не требует тщательной юстировки и имеет непрерывный срок работы в среде аргона не менее 20 ч.

Холловский ионный источник с открытым торцом, предложенный Кауфманом с сотрудниками [1], широко используется при проведении таких технологических процессов, как ионное ассистирование, реактивное травление, модификация пленок и т.д. [2]. Это обусловлено тем, что он позволяет получать широкие пучки ионов со средней энергией десятки–сотни электроновольт и с плотностью ионного тока – единицы миллиампер на квадратный сантиметр. Однако в ряде применений такие недостатки источника, как низкая однородность плотности ионного тока пучка по радиусу, значительный разброс ионов по энергиям, значительный расход рабочего газа, затрудняют его использование.

Это связано с тем, что новообразование в таком источнике происходит в области между катодом, расположенным вблизи открытого торца источника, и анодом, размещенным внутри корпуса. Так как плотность нейтральных атомов или молекул газа, вводимого в источник, быстро снижается в направлении от анода к катоду, для повышения интенсивности ионообразования в источнике предусмотрен дополнительный кольцевой зазор между внешней поверхностью анода и стенкой корпуса для подачи части газа непосредственно в область, прилегающую к катоду. Формирование и ускорение пучка ионов происходит за счет их взаимодействия с электрическим полем катода и с расходящимся магнитным полем катушки. Поэтому ионы ускоряются как вдоль силовых линий магнитного поля, так и в направлении катода, т.е. под острым углом к оси симметрии источника, что приводит к сжатию пучка. В результате профиль плотности тока пучка выражается соотношением [1]

ja = А×соsⁿ a

где А – плотность тока на оси пучка, a – угол относительно оси пучка, п – показатель формы (может изменяться от 2 до 4).

Частично устранить указанные недостатки можно, если создать дополнительную зону ионообразования, вынесенную за пределы зоны ускорения. Для этого в предлагаемом ионном источнике [3] узел подачи газа выполнен в виде электроизолированной от корпуса и анода вставки с конической полостью, имеющей общую образующую с коническим отверстием анода, вакуумно-плотно соединенной с анодом и каналом подачи газа. В этом случае вероятность ионизации газа в полости вставки и в области внутрианодного пространства, примыкающей к узлу подачи газа, значительно возрастает за счет увеличения давления в этой области.

Были изготовлены макеты как ионного источника [1], так и источника новой конструкции [3] и проведены их сравнительные исследования. В качестве рабочего газа использовался аргон.

На рис. 1 представлена конструкция предлагаемого ионного источника с дополнительной зоной генерации ионов. Цилиндрический корпус 1 источника выполнен из магнитомягкой стали Ст20 и имеет крышку с отверстием большого диаметра, через которое выводится ионный пучок. Напротив отверстия размещен накаливаемый катод 2 в виде спирали из вольфрамовой проволоки Æ0.6 мм, закрепленной на керамических изоляторах. Анод 3 из нержавеющей стали имеет коническое отверстие, большим основанием конуса обращенное к катоду 2. Узел подачи газа состоит из электроизолированной керамическими кольцами от корпуса и анода графитовой вставки 4 с конической полостью, имеющей общую образующую с коническим отверстием анода. Магнитное поле создается катушкой 5 с сердечником 6 из магнитомягкой стали. Катушка с сердечником вместе с корпусом 1 образует единую магнитную систему источника ионов. Внутри сердечника 6 проходит канал 7 подачи рабочего газа, вакуумно-плотно присоединенный к вставке 4.

Рис. 1. Холловский ионный источник с дополнительной
зоной генерации ионов. 1 - корпус, 2 - катод, 3 - анод,
4 - коническая вставка, 5 - электромагнитная катушка,
6 - сердейник, 7 - канал подачи газа.

Газ подается в полость вставки через осевое отверстие. Между анодом и катодом, электрически соединенным с корпусом, прикладывается напряжение 50–300 В, катод разогревается до температуры, достаточной для эмиссии электронов. Электроны, эмитируемые катодом 2, ускоряются в области катодного падения потенциала и инжектируются внутрь анода, осциллируя вокруг силовых линий магнитного поля, создаваемого катушкой 5 между торцом сердечника 6 и крышкой корпуса 1. В результате неупругих столкновений они генерируют газоразрядную плазму. Уходу ионизирующих электронов из разрядного объема на анод препятствует магнитное поле, параллельное поверхности анода, на вставку – электрическое поле катодного падения потенциала. Образующиеся ионы ускоряются за счет взаимодействия с электрическим полем катода 2 и расходящимся магнитным полем катушки 5. Поскольку давление газа быстро падает вдоль оси источника, большая часть ионизирующих столкновений происходит в полости вставки и примыкающей к ней области внутрианодного пространства. Это приводит к тому, что ионизируемые атомы и молекулы не меняют своей траектории, так как их вектор скорости совпадает с вектором ускоряющего электрического поля, что позволяет получить пучок более равномерный по плотности.

Профили пучков обоих источников определялись с помощью линейки зондов типа "цилиндр Фарадея" с диаметром входного окна 4.5 мм. На них подавалось смещение -22 В для отсечения электронной компоненты (величина смещения определялась по перегибу вольт-амперной характеристики). Зонды имели общий защитный экран для предотвращения краевого эффекта.

Тормозные характеристики снимались посредством трехэлектродного зонда-энергоанализатора [4]. Энергоанализатор имел цилиндрический корпус из нержавеющей стали Æ20 мм, входное окно корпуса Æ6 мм было закрыто молибденовой сеткой с размером ячейки 0.3 мм. В корпусе были размещены разделительная сетка с таким же размером ячейки и ловушка из нержавеющей стали в виде цилиндра Фарадея. Корпус находился под плавающим потенциалом, на разделительную сетку подавали -50 В относительно корпуса установки, на ловушку подавали анализирующий потенциал 0–+200 В. Ионный ток измерялся с помощью коллектора – пластины из нержавеющей стали размером 200 × 200 мм; на него, так же как и на зонды, подавалось смещение -22 В.

Расход газа измерялся следующим образом. Напуск газа осуществлялся пьезоэлектрическим натекателем СНА-2 через промежуточную камеру размерами 20 × 30 мм, на которой был размещен датчик вакуумметра ВТ1–4. Давление аргона на входе натекателя поддерживалось постоянным. Давление в промежуточной камере составляло единицы паскалей, т.е. на три порядка выше, чем давление в камере установки. Поэтому мы считали, что давление в промежуточной камере с достаточно высокой точностью пропорционально расходу газа. Шкала вакуумметра ВТ1–4 была прокалибрована с помощью U-образного манометра в единицах расхода газа. Калибровка проводилась для каждого из двух типов источников, поскольку их каналы подачи газа имеют различное газодинамическое сопротивление.

На рис. 2 приведены результаты измерения профилей распределения плотности ионного тока (рис. 2а) и семейств тормозных характеристик (рис. 2б) известного ионного источника [1] и источника, описанного в данной работе.

 Рис. 2. Профили распределения ионного тока по радиусу пучка (а)
и тормозные характеристики (б) ионных источников (и.и.)
при различных расстояниях от торца. 1,2 - и.и. с плоским
газораспределителем [1]; 3,4 - и.и. с коническим газораспределителем
[3]; 1,3 - на расстоянии 100 мм от торца, 2,4 - на расстоянии
150 мм от торца: I_a = 2.5 A, I_H = 22 A, Q = 6 см³/мин*атм.

Измерения проводились при одинаковых экспериментальных условиях: расход газа Q = = 6 см³/мин×атм., ток анода I_а = 2.5 А, ток накала катода I_Н = 22 А. Форма профиля плотности ионного тока источника [1] согласуется с приведенной выше формулой. Профиль пучка предлагаемого ионного источника [3] имеет более плоскую вершину шириной ~100 мм на расстоянии 150 мм от торца источника благодаря тому, что дополнительная зона генерации ионов удалена от катода и ускорение ионов за счет электростатических сил происходит в направлении оси источника, т.е. сжатие пучка отсутствует. Далее, поскольку протяженность канала ускорения в данном источнике возрастает, увеличивается и число быстрых ионов, что видно из семейства тормозных характеристик (рис. 2б). На тормозных характеристиках ионного источника [3] появляется характерная "полка", а за ней более крутой спад, что свидетельствует об увеличении числа ионов, обладающих большей энергией, и о более узкой функции распределения ионов по энергиям.

Сравнительные измерения ионного тока при одинаковых токах анода показали, что при расходе газа 5–7 см³/мин×атм. ионный ток в предлагаемом ионном источнике был в 1.2–1.5 раза больше, чем в источнике [1]. При расходе газа 15–20 см³/мин×атм. и более существенной разницы не обнаружено. Остальные параметры предлагаемого источника в основном совпадают с параметрами источника [1]. Коническая вставка гораздо меньше подвержена распылению ионной бомбардировкой, чем плоский газораспределитель. После 100 ч работы заметной эрозии конической полости вставки обнаружено не было, в то время как на плоском газораспределителе после нескольких десятков часов появляется круглая зона со следами эрозии диаметром несколько меньшим, чем отверстие в аноде. Результаты исследований, наряду с визуальными наблюдениями процесса работы источника, позволяют сделать вывод о существовании дополнительной зоны новообразования лишь при пониженных давлениях. Это согласуется с известными представлениями об особенностях дрейфа электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях и генерации ионов в зависимости от давления в газоразрядных приборах [5].

ЛИТЕРАТУРА

1.       Kaufman H.R., Robinson R.S., Seddon R. // J. Vac. Sci. Technol. 1987. V. A5. № 4. P. 2081.

2.       Martin Ph. // IEEE Trans, on Plasma Sci. 1990. V. 18. № 6. P. 855.

3.       Свирин В.Т., Стогний А.И. Патент № 2 РБ. 1994. С. 25.

4.       Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.

5.       Гришин СД., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989.