CS265460B1

CS265460B1 - Equipment for complex evaporation of solids in an ion source

Info

Publication number: CS265460B1
Application number: CS862134A
Authority: CS
Inventors: Karel Ing Csc Kult
Original assignee: Karel Ing Csc Kult
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1989-10-13
Also published as: CS213486A1

Abstract

Zařízení řeší problém komplexní evaporace různých látek pevné fáze v iontovém zdroji. Zařízeni je tvořeno válcovou katodou iontového zdroje, která je pomocí oddělovacího izolátoru spojena s vysokoteplotní částí válcové anody iontového zdroje, v jejíž nízkoteplotní části je vytvořen druhý přívod nosného plynu a upevněn vnější chladič. Uvnitř válcové anody iontového zdroje jsou suvně v axiálním směru uloženy válcová pec a tyčová pec. Válcová pec je na nízkoteplotní straně opatřena prvním přívodem nosného plynu. Dutinová katoda a vysokoteplotní část válcové anody iontového zdroje je uložena v koaxiálním reflektoru. V dutinách obou pecí jsou umístěny první, druhý a třetí substrát pevné látky. Na výstupní hraně iontového zdroje je umístěna extrakční elektroda pro vývod produkovaných iontů.The device solves the problem of complex evaporation of various solid phase substances in the ion source. The device consists of a cylindrical cathode of the ion source, which is connected by a separating insulator to the high-temperature part of the cylindrical anode of the ion source, in the low-temperature part of which a second carrier gas inlet is created and an external cooler is mounted. Inside the cylindrical anode of the ion source, a cylindrical furnace and a rod furnace are slidably mounted in the axial direction. The cylindrical furnace is provided with a first carrier gas inlet on the low-temperature side. The cavity cathode and the high-temperature part of the cylindrical anode of the ion source are mounted in a coaxial reflector. The first, second and third solid substrate are located in the cavities of both furnaces. An extraction electrode for the outlet of the produced ions is located on the output edge of the ion source.

Description

Vynález se týká zařízení pro komplexní evaporaei pevných látek v iontovém zdroji a náleží do oboru chemie plasmatu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for the complex evaporaea of solids in an ion source and belongs to the field of plasma chemistry.

Evaporace pevných látek pro iontové zdroje je v převážné míře řešena cestou externí pece. Tato pec, zpravidla velkých rozměrů s velkými plochami, má velké tepelné ztráty, které je pak nutné kompenzovat zvýšeným příkonem žhavení a složitým systémem termických reflektorů.Evaporation of solids for ion sources is largely handled via an external furnace. This furnace, generally of large dimensions with large surfaces, has a large heat loss, which must then be compensated by increased incandescent power and a complex thermal reflector system.

V těchto pecích je možné zpracovat pouze jeden substrát a maximální dosažitelné teploty se pohybují okolo 1 000 °C. Proto zde není možné zpracovat těžko tavitelné substráty. Jiná zařízení, která využívají vlastního tepla plasmatu a jsou tvořena suvně uloženou peci v prodlouženém tělese jedné elektrody iontového zdroje, již dosahuji teplot nutných k evaporaei těžko tavitelných substrátů, ale jejich nevýhodou nadále zůstává nutnost zpracování pouze jediného substrátu.Only one substrate can be processed in these furnaces and the maximum attainable temperatures are around 1000 ° C. Therefore, it is not possible to process hard-to-melt substrates. Other devices which utilize the plasma's own heat and consist of a sliding furnace in the elongated body of one electrode of an ion source already reach the temperatures necessary to evaporae difficult-to-melt substrates but still have the disadvantage of requiring only a single substrate.

Výše uvedený nedostatek odstraňuje zařízení pro komplexní evaporaei pevných látek v iontovém zdroji podle vynálezu. Je tvořeno válcovou anodou iontového zdroje v níž je suvně v axiálním směru uložena válcová pec a tyčová pec. Válcová anoda iontového zdroje je na své vysokoteplotní straně spojena s dutinou katodou a na své nízkoteplotní straně je opatřena druhým přívodem nosného plynu a vnějším chladičem. Válcová pec je ve své zúžené nízkoteplotní části opatřena prvním přívodem nosného plynu.The above drawback eliminates the apparatus for complex evaporae of solids in the ion source according to the invention. It consists of a cylindrical anode of an ion source in which a cylindrical furnace and a rod furnace are mounted in the axial direction. The cylindrical anode of the ion source is coupled to the cavity by a cathode on its high temperature side and has a second carrier gas inlet and an external condenser on its low temperature side. The cylindrical furnace is provided with a first carrier gas inlet in its tapered low temperature portion.

Výhoda zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že dovoluje evaporaei tří různých látek v širokém intervalu teplot. Rychlost přívodu jednotlivých komponent pak může být řízena programově.An advantage of the device according to the invention is that it allows the evaporae of three different substances over a wide temperature range. The feed rate of the individual components can then be controlled programmatically.

Na přiloženém výkresu je schematicky znázorněno jedno z možných řešeni zařízeni podle vynálezu.The attached drawing schematically shows one possible solution of the device according to the invention.

Zařízení pro komplexní evaporaei pevných látek v iontovém zdroji se skládá z dutinové katody 2 iontového zdroje, která je pomoci oddělovacího izolátoru spojena s vysokoteplotní částí válcové anody £ iontového zdroje, v jejíž nízkoteplotní části je vytvořen druhý přívod 2 nosného plynu a upevněn vnější chladič 2· Uvnitř válcové anody ± iontového zdroje jsou suvně v axiálním směru uloženy válcová pec 2 a tyčová pec !5. Válcová pec 2 je na nízkoteplotní straně opatřena prvním přívodem 10 nosného plynu. Dutinová katoda 2 a vysokoteplotní část válcové anody 2 iontového zdroje je uložena v koaxiálním reflektoru 7_. V dutinách obou pecí 2» 5 jsou umístěny první, druhý a třetí substrát 11, 12, 13 pevné látky. Na výstupní hraně iontového zdroje je umístěna extrakční elektroda 2 pro vývod produkovaných iontů.The device for complex evaporaei of solids in the ion source consists of a cavity cathode 2 of the ion source, which is connected by means of a separator insulator to the high temperature part of the cylindrical anode 6 of the ion source. A cylindrical furnace 2 and a rod furnace 15 are mounted in the axial direction within the cylindrical anode of the ion source. The cylindrical furnace 2 is provided on the low temperature side with a first carrier gas inlet 10. The cavity cathode 2 and the high temperature portion of the cylindrical anode 2 of the ion source are housed in a coaxial reflector 7. The first, second and third solid substrates 11, 12, 13 are disposed in the cavities of both furnaces 2, 5. At the output edge of the ion source there is an extraction electrode 2 for outlet of produced ions.

Zařízeni pro komplexní evaporaei pevných látek p'odle vynálezu, mimo přípust několika plynů, umožňuje zpracování současně nejméně tří substrátů 11, 12, 13 pevné fáze. První substrát 11 pevné fáze s nejvyšší evaporační teplotou se vkládá do dutiny wolframové tyče, která tvoří tyčovou pec 2· Tento těžko tavitelný substrát 11 je odprašován interakcí koncentrovaného plazmatu. Přípustné možnosti výbojové komory, zhotovené z tenkostěnného tantalu jsou limitovány teplotou tavení oddělovacích izolátorů 2» vytvořených z nitridu bóru. Druhý a třetí substrát 12, 13 pevné fáze je vkládán do válcové pece 6_, jejíž vysokoteplotní rozšířená část je zhotovena z uhlíku a žhaví se převážně přestupy tepla z válcové anody 4_ iontového zdroje. Těleso válcové anody tvoři tantalová trubice, která současně plní funkci nosníku dutinové katody 2 iontového zdroje. Teplo z válcové anody 4 iontového zdroje odvádí vnější vzduchový chladič 2· Přívodem tepelného příkonu asi 200 W z plazmatu se ve vysokoteplotní části vnější válcové pece 2 dosahuje teplot okolo 2 000 °C a v tomto prostoru se zpracovává druhý substrát 12 pevné fáze. Třetí substrát 13 pevné fáze s nejnižší evaporační teplotou se vkládá do zúžené nízkoteplotní části vnější válcové pece 2» kde je možno teplotu snížit až na 300 °C. Axiálním posuvem obou válcových pecí 2» á. ^se dosáhne žádaných teplot pro všechny tři substráty 12, 12, 13 pevné fáze.The apparatus for the complex evaporation of solids according to the invention, in addition to permitting several gases, allows at least three solid phase substrates 11, 12, 13 to be processed simultaneously. The first solid phase substrate 11 with the highest evaporation temperature is inserted into the tungsten rod cavity that forms the bar furnace 2. This refractory substrate 11 is dedusted by the interaction of concentrated plasma. The permissible discharge chamber capacities made of thin-walled tantalum are limited by the melting point of the isolating insulators 2 formed of boron nitride. The second and third solid phase substrates 12, 13 are inserted into a cylindrical furnace 6, the high-temperature expanded portion of which is made of carbon and is predominantly heated by heat transfer from the cylindrical anode 4 of the ion source. The cylindrical anode body is formed by a tantalum tube, which at the same time serves as a support for the cavity cathode 2 of the ion source. Heat from the cylindrical anode 4 of the ion source is removed by the external air cooler 2. By supplying a heat input of about 200 W from the plasma, temperatures in the high temperature portion of the outer cylindrical furnace 2 reach about 2,000 ° C. The third solid phase substrate 13 with the lowest evaporation temperature is fed into a tapered low temperature portion of the outer furnace 2 where the temperature can be reduced up to 300 ° C. By axial displacement of the two cylindrical furnaces 2 »á. ^the desired temperatures for all three solid phase substrates 12, 12, 13 ^are achieved.

Činnost iontového zdroje v režimu nosného plynu je aplikována dvěma odlišnými způsoby. Přívodem agresivních plynů, jako např. tetrachlor CC1₄, jsou na povrchu žhavených substrátů produkovány snadněji těkavé chloridy. Přítomnost molekul inertních plynů plní funkci moderátoru kinetiky plasmatu iontového zdroje. Dovoluje řízení efektivnosti ionisace a vytváří základní podmínky syntézy molekulárních iontů z atomů různého druhu.The operation of the ion source in carrier gas mode is applied in two different ways. Inlet corrosive gas, such as e.g. tetrachloro CC1 _4, the filament on the surface of substrates produced easily volatile chlorides. The presence of inert gas molecules acts as a moderator of ion source plasma kinetics. It allows to control the efficiency of ionization and creates basic conditions for the synthesis of molecular ions from atoms of various kinds.

Předložený systém evaporace tři elementů pevné fáze lze využít v různém druhu iontových zdrojů. Například při zpracování kobaltu v tomto zařízení může být výboj zapálen na některém z inertních plynů, jako je např. xenon. Po nastaveni vhodné teploty pro druhý substrát 12 pevné fáze se žavádí do anody _4 tetrachlor, který produkuje snadno těkavé chloridy CoCl a přejímá funkci regulátoru rychlosti evaporace. V hmotnostním spektru jsou potom zastoupeny ionty Co⁺ i CoCl⁺, jejichž procentuální obsah lze ovládat změnou parametrů iontového zdroje a rychlosti napouštění nosných plynů. Jsou-li do výboje současně zaváděny páry cesia z třetího substrátu 13 pevné fáze, získáme výchozí produkt v podobě negativních iontů. Do výboje lze současně odprašovat třetí substrát 11 pevné fáze, který tvoří například tvrdý uhlík ve velmi čisté podobě, který společně s těžkými atomy dalších látek získá v mechanismu procesu vyšší kinetickou i potenciální energii, které jsou předpokladem efektivního průběhu syntézy.The present system of evaporation of three solid phase elements can be used in different kinds of ion sources. For example, in the treatment of cobalt in this apparatus, the discharge may be ignited on one of the inert gases, such as xenon. After setting a suitable temperature for the second solid phase substrate 12, tetrachloride is produced into the anode 4, which produces readily volatile CoCl and takes over the function of the evaporation rate regulator. In the mass spectrum, both Co ⁺ and CoCl ⁺ ions are represented, the percentage of which can be controlled by changing the ion source parameters and the carrier gas infiltration rate. If cesium pairs from the third solid phase substrate 13 are simultaneously introduced into the discharge, the starting product is obtained as negative ions. At the same time, the third solid phase substrate 11, which forms, for example, hard carbon in a very pure form, which together with the heavy atoms of other substances obtains higher kinetic and potential energy in the process mechanism, which are a prerequisite for efficient synthesis.

Možnost využití vynálezu v oblasti implantace vysokých dávek spočívá v postupném nástřelu různých iontů v uzavřeném cyklu bez přerušení činnosti iontového zdroje. V úlohách deposice lze postupně produkovat tenké vzorky, vrstvené z různých materiálů. Možnosti chemické syntézy exitovaných atomů leží v oblasti nadtermálnich energií okolo 10 eV. Produkované molekulární ionty mohou být pomocí metod hmotnostní separace odděleny a po retardaci energie získány v podobě povlaků nových látek, nebo využity pro výzkum chemických efektů v interakcích s povrchy látek pevné fáze.The possibility of using the invention in the field of high dose implantation consists in successively firing different ions in a closed cycle without interrupting the operation of the ion source. In deposition tasks, thin samples layered from different materials can be gradually produced. Possibilities of chemical synthesis of exited atoms lie in the area of over-thermal energies around 10 eV. The molecular ions produced can be separated by mass separation methods and recovered as energy coatings after energy retardation, or used to study chemical effects in interactions with solid phase surfaces.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An apparatus for complex evaporation of solids in an ion source, comprising a cylindrical furnace with a first carrier gas inlet, slidably mounted in a cylindrical anode source, the low temperature portion of which is provided with a second carrier gas inlet and an external condenser; wherein the high temperature portion of the cylindrical anode and the cavity cathode of the ion source are housed in a coaxial reflector, characterized in that a rod furnace (5) is slidably mounted in the axial direction within the cylindrical furnace (6).

A complex solid evaporation apparatus according to claim 1, characterized in that the cylindrical furnace (6) is tapered on the low temperature side.