Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge
A new solid ion source is described. The ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge produces the beam of various solid ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) which are then extracted by an ion optical accelerating system. In this ion source DC discharge is used for generati...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110538 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge / N.A. Azarenkov, A.A. Bizyukov, I.A. Bizyukov, V.V. Bobkov, A.E. Kashaba, K. Krieger, K.N. Sereda, I.K. Tarasov // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 1. — С. 125-127. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860238231464837120 |
|---|---|
| author | Azarenkov, N.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, I.A. Bobkov, V.V. Kashaba, A.E. Krieger, K. Sereda, K.N. Tarasov, I.K. |
| author_facet | Azarenkov, N.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, I.A. Bobkov, V.V. Kashaba, A.E. Krieger, K. Sereda, K.N. Tarasov, I.K. |
| citation_txt | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge / N.A. Azarenkov, A.A. Bizyukov, I.A. Bizyukov, V.V. Bobkov, A.E. Kashaba, K. Krieger, K.N. Sereda, I.K. Tarasov // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 1. — С. 125-127. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | A new solid ion source is described. The ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge produces the beam of various solid ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) which are then extracted by an ion optical accelerating system. In this ion source DC discharge is used for generation of the ions of different metals and capacitively coupled RF discharge with a frequency 13.56 MHz is used for generation of the ions of other solid materials.
Описано нове джерело твердотільних іонів. Джерело іонів на базі порожнього циліндричного розпилюючого магнетронного розряду генерує пучок різних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W), які потім витягаються іонно-оптичною прискорюючою системою. У цьому іонному джерелі для генерації іонів різних металів використовується розряд постійного струму, а для генерації іонів інших твердих матеріалів використовується ємнісний ВЧ-розряд з частотою 13,56 Мгц.
Описан новый источник твердотельных ионов. Источник ионов на базе полого цилиндрического распылительного магнетронного разряда производит пучок различных твердотельных ионов (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W), которые затем извлекаются ионно-оптической ускорительной системой. В этом ионном источнике для генерации ионов различных металлов используется разряд постоянного тока, а для генерации ионов других твердых материалов используется емкостной ВЧ-разряд с частотой 13,56 МГц.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:27:07Z |
| format | Article |
| fulltext |
LOW TEMPERATURE PLASMA AND PLASMA TECHNOLOGIES
SOLID ION SOURCE BASED ON HOLLOW-CYLINDRICAL MAGNETRON
SPUTTERING DISCHARGE
N.A. Azarenkov1, A.A. Bizyukov1, I.A. Bizyukov1, V.V. Bobkov1, A.E. Kashaba1,
K. Krieger2, K.N. Sereda1, I.K. Tarasov3
1 - Kharkov National University, 31 Kurchatov Ave., 61108, Kharkov, Ukraine,
E-mail: bizyukov@pht.univer.kharkov.ua;
2 – Max-Plank Institut fǜr Plasmaphysik, IPP-Euroatom Association,
Boltsmanstraβe 2, Garching 85746, Germany;
3 - Institute of Plasma Physics, NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology”,
Academicheskaya Str., 1, 61108, Kharkov, Ukraine
A new solid ion source is described. The ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge
produces the beam of various solid ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) which are then extracted by an ion optical accel-
erating system. In this ion source DC discharge is used for generation of the ions of different metals and capacitively
coupled RF discharge with a frequency 13.56 MHz is used for generation of the ions of other solid materials.
PACS: 52.80.-s
1. INTRODUCTION
The sources of ions of solid materials are used for im-
plantation of impurities and dopants, thin-film deposition,
material modification. Designs of metal ion sources can
be divided into several types depending on boiling-point
and ionization potential of required metals. If metal has
low boiling temperature than metal vapor can be obtained
by moderate metal heating and can be feed into ion source
having more or less typical design [1, 2]. Ions of metals,
which have relatively low ionization potential, can be ob-
tained due to surface ionization directly on the hot metal
surface [3, 4]. But these methods applied for metals with
high melting temperature provide only little beam current.
In this case vacuum arc ion source is convenient [5]. In
this source metal vapor vacuum arc discharge is used for
plasma production. In this type of the ion source pulse du-
ration reaches 100 μs, pulse reiteration frequency is about
1 pulse per second and beam current is about 10 mA.
Ions of different metals may be also obtained by sput-
tering from an electrode in a discharge. It is clearly that
only sputtered-based sources have simple construction
and can operate under room temperature. Owing to con-
figuration of the electrical and magnetic fields being or-
thogonal, stable glow discharges and intense sputtering of
cathode material can be obtained in a magnetron at low
pressures.
In this paper the design and performance of the solid
ion source based on hollow-cylindrical magnetron sput-
tering discharge is described.
2. DESIGN
The sketch of the ion source with accelerating elec-
trode is given in Fig. 1. The basic elements of the con-
struction of the hollow-cylindrical magnetron sputtering
ion source are the following: anode (1), cathode block (2)
and magnetic system (3).
The water-cooled end anode is made of non-magnetic
stainless steel and is electrically isolated from the cathode
block. The anode is powered and cooled through the iso-
lated vacuum feedthroughs in the bottom of the cathode
block. The shape of the anode provides reduced redeposi-
tion of sputtered target material on surface of the isola-
tors.
The water-cooled cathode block of the ion source is
used as a cathode of the discharge gap and provides cool-
ing of sputtered target. The cathode block consists of the
water-cooled hollow-cylindrical cathode made of stainless
steel (4), which also is used as a holder of sputtered target
(5). The target is fixed in the cathode block by electrode-
extractor (6).
Fig. 1. 1 – anode, 2 – cathode block, 3 – magnetic sys-
tem, 4 – water-cooled hollow-cylindrical cathode,
5 – sputtered target, 6 – electrode-extractor,
7 – accelerating electrode
The magnetic system produces arch magnetic field
with a peak intensity of 500 Oe near the interior surface
of the sputtered target.
The working gas (Ar, H2, CH4) is fed through the
channels of the rear side of the ion source (not viewed on
Fig. 1) into the cathode-anode discharge gap. The work-
ing gas pressure in the discharge volume of the source can
be adjusted in a range of 10-2 - 10-4 Torr.
The cathode can be capacitively coupled to a
13.56 MHz RF power supply with power up to 2.5 kW or
can be connected to DC power supply with negative po-
Problems of Atomic Science and Technology. 2003. № 1. Series: Plasma Physics (9). P. 125-127 125
mailto:bizyukov@pht.univer.kharkov.ua
tential up to 1000 V with respect to the anode. The mag-
netic field, in conjunction with the electric field applied to
the sputtered target (5), create intense plasma in the near
target region. From this region working gas ions are ex-
tracted and accelerated by the cathode potential to cause
sputtering, mainly in the region of the magnetic field arch.
The accelerating electrode (7) produces electric field
which extracts ions from the magnetron discharge plasma
and forms them into a beam. The accelerating electrode
shape approaches to Pierce geometry.
The advantage of such a construction of the ion source
is fairly small losses of sputtered material owing to isola-
tion of the gas discharge volume. The non-extracted
atoms are deposited on the target surface and can be sput-
tered again. This fact and absence of hot cathodes in the
source construction provide much enlarged operational
life of the sputtered target and opportunity to operate with
chemically active working substances.
The extraction of ions is carried out by the electrode-
extractor (6).
3. THE ION SOURCE OPERATION
During experiments the discharge voltage (Udis), dis-
charge current (Idis), pressure (p) were measured.
300 350 400 450 500 550
0
2
4
6
8
10
2
3
1
Discharge voltage U
dis
(V)
D
is
ch
ar
ge
c
ur
re
nt
I
di
s (V
)
Fig 2. Voltage-current plots under different pressures:
1 – p=3⋅10-4 Torr, 2 – p=8⋅10-4 Torr, 3 – p=3⋅10-3 Torr
The discharge was initiated in the area of sputtered
target under such conditions: voltage was in range of
Udis=325÷530 V and the discharge current changed in
range of Idis=0.3÷8 A, pressure was in range of
Torrp 34 105105 −− ⋅÷⋅= . Figure 2 shows typical volt-
age-current plots under different pressures.
The electron current density distribution along radius
of hollow cylindrical sputtered cathode under different
discharge parameters was also measured (Figure 3). It can
be seen that the electron current reaches a value of dis-
charge current at the system axis, i.e. the stream of elec-
trons from the discharge region travels across a magnetic
field in radial direction toward the system axis. The
stream of sputtered atoms is formed and travels also to-
ward the cathode axis where the sputtered atom density
peaks. Thus, in the given discharge configuration, both
the density of the sputtered atoms and density of electrons
peak at the system axis. This provides effective ionization
of sputtered target atoms and enhanced current density of
extracted solid ions.
-15 -10 -5 0 5 10 15
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
2
1
C
ur
re
nt
d
en
si
ty
(A
/c
m
2 )
Radius (mm)
Fig. 3. The current density distribution along the beam
radius: 1 – Idis=5 A, 2 – Idis=8 A. The pressure was p=3⋅
10-3 Torr
4. CONCLUDING REMARKS
A new solid ion source is described. The ion source
based on hollow-cylindrical magnetron sputtering dis-
charge produces the beam of various solid ions (B, C, Si,
Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) which are then extracted by an ion
optical accelerating system. In this ion source DC dis-
charge is used for generation of the ions of different met-
als and capacitively coupled RF discharge with a frequen-
cy 13.56 MHz is used for generation of the ions of other
solid materials.
5. ACKNOWLEDGEMENT
This work was supported in part by Science and Tech-
nology Center in Ukraine, project #1112.
REFERENCES
1. H.Sigiura,//Rev. Sci. Instrum., v.50, 1979, p.84.
2. M.-A.Hasan, J.Knall, S.A.Barnett, A.Rockett, J.-E.
Sundgern, J.E.Greene, //J. Vac. Sci. Technol. V.B5, 1978,
p. 1332.
3. N.Rynn, N.D’Angelo,// Rev. Sci. Instrum., v.31, 1960,
p.1326.
4. E.H.Hirsh and I.K.Varga,// Rev. Sci. Instrum., v.46,
1975, p.338.
5. I.G.Brown, J.E.Galvin, R.A.MacGill, R.T.Wright//
Particle Accelerator Conference, Washington, DC,
March 1987.
ДЖЕРЕЛО ТВЕРДОТІЛЬНИХ ІОНІВ НА БАЗІ ПОРОЖНЬОГО ЦИЛІНДРИЧНОГО
РОЗПИЛЮВАЛЬНОГО МАГНЕТРОННОГО РОЗРЯДУ
126
М.О. Азаренков, О.A. Бізюков, І.О. Бізюков, В.В. Бобков, A.Є. Кашаба,
K. Крігер, K.М. Середа, І.K. Тарасов
Описано нове джерело твердотільних іонів. Джерело іонів на базі порожнього циліндричного розпилюючого
магнетронного розряду генерує пучок різних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W), які потім
витягаються іонно-оптичною прискорюючою системою. У цьому іонному джерелі для генерації іонів різних
металів використовується розряд постійного струму, а для генерації іонів інших твердих матеріалів
використовується ємнісний ВЧ-розряд з частотою 13,56 Мгц.
ИСТОЧНИК ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИОНОВ НА БАЗЕ ПОЛОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО РАСПЫЛИ-
ТЕЛЬНОГО МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА
Н.A. Азаренков, A.A. Бизюков, И.A. Бизюков, В.В. Бобков, A.E. Кашаба,
K. Кригер, K.Н. Середа, И.K. Тарасов
Описан новый источник твердотельных ионов. Источник ионов на базе полого цилиндрического распылитель-
ного магнетронного разряда производит пучок различных твердотельных ионов (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W),
которые затем извлекаются ионно-оптической ускорительной системой. В этом ионном источнике для генера-
ции ионов различных металлов используется разряд постоянного тока, а для генерации ионов других твердых
материалов используется емкостной ВЧ-разряд с частотой 13,56 МГц.
N.A. Azarenkov1, A.A. Bizyukov1, I.A. Bizyukov1, V.V. Bobkov1, A.E. Kashaba1,
K. Krieger2, K.N. Sereda1, I.K. Tarasov3
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110538 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:27:07Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Azarenkov, N.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, I.A. Bobkov, V.V. Kashaba, A.E. Krieger, K. Sereda, K.N. Tarasov, I.K. 2017-01-04T18:40:00Z 2017-01-04T18:40:00Z 2003 Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge / N.A. Azarenkov, A.A. Bizyukov, I.A. Bizyukov, V.V. Bobkov, A.E. Kashaba, K. Krieger, K.N. Sereda, I.K. Tarasov // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 1. — С. 125-127. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.80.-s https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110538 A new solid ion source is described. The ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge produces the beam of various solid ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) which are then extracted by an ion optical accelerating system. In this ion source DC discharge is used for generation of the ions of different metals and capacitively coupled RF discharge with a frequency 13.56 MHz is used for generation of the ions of other solid materials. Описано нове джерело твердотільних іонів. Джерело іонів на базі порожнього циліндричного розпилюючого магнетронного розряду генерує пучок різних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W), які потім витягаються іонно-оптичною прискорюючою системою. У цьому іонному джерелі для генерації іонів різних металів використовується розряд постійного струму, а для генерації іонів інших твердих матеріалів використовується ємнісний ВЧ-розряд з частотою 13,56 Мгц. Описан новый источник твердотельных ионов. Источник ионов на базе полого цилиндрического распылительного магнетронного разряда производит пучок различных твердотельных ионов (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W), которые затем извлекаются ионно-оптической ускорительной системой. В этом ионном источнике для генерации ионов различных металлов используется разряд постоянного тока, а для генерации ионов других твердых материалов используется емкостной ВЧ-разряд с частотой 13,56 МГц. This work was supported in part by Science and Technology Center in Ukraine, project #1112 en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Low temperature plasma and plasma technologies Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge Джерело твердотільних іонів на базі порожнього циліндричного розпилювального магнетронного розряду Источник твердотельных ионов на базе полого цилиндрического распылительного магнетронного разряда Article published earlier |
| spellingShingle | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge Azarenkov, N.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, I.A. Bobkov, V.V. Kashaba, A.E. Krieger, K. Sereda, K.N. Tarasov, I.K. Low temperature plasma and plasma technologies |
| title | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge |
| title_alt | Джерело твердотільних іонів на базі порожнього циліндричного розпилювального магнетронного розряду Источник твердотельных ионов на базе полого цилиндрического распылительного магнетронного разряда |
| title_full | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge |
| title_fullStr | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge |
| title_full_unstemmed | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge |
| title_short | Solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge |
| title_sort | solid ion source based on hollow-cylindrical magnetron sputtering discharge |
| topic | Low temperature plasma and plasma technologies |
| topic_facet | Low temperature plasma and plasma technologies |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110538 |
| work_keys_str_mv | AT azarenkovna solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT bizyukovaa solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT bizyukovia solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT bobkovvv solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT kashabaae solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT kriegerk solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT seredakn solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT tarasovik solidionsourcebasedonhollowcylindricalmagnetronsputteringdischarge AT azarenkovna džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT bizyukovaa džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT bizyukovia džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT bobkovvv džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT kashabaae džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT kriegerk džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT seredakn džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT tarasovik džerelotverdotílʹnihíonívnabazíporožnʹogocilíndričnogorozpilûvalʹnogomagnetronnogorozrâdu AT azarenkovna istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT bizyukovaa istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT bizyukovia istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT bobkovvv istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT kashabaae istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT kriegerk istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT seredakn istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda AT tarasovik istočniktverdotelʹnyhionovnabazepologocilindričeskogoraspylitelʹnogomagnetronnogorazrâda |