Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge
A new solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge is described. The ions of working gas are used to bombard and sputter a cylindrical target made of metal or dielectric material. The sputtered atoms can be ionized and extracted by an ion optical accelerating system. Tests have sh...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2004 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79362 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge / N.A. Azarenkov, I.A. Bizyukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 114-116. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79362 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Azarenkov, N.A. Bizyukov, I.A. Kashaba, A.Y. Sereda, K.N. 2015-03-31T14:44:07Z 2015-03-31T14:44:07Z 2004 Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge / N.A. Azarenkov, I.A. Bizyukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 114-116. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.30.Ex; 52.50.Dg; 52.75.-d https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79362 A new solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge is described. The ions of working gas are used to bombard and sputter a cylindrical target made of metal or dielectric material. The sputtered atoms can be ionized and extracted by an ion optical accelerating system. Tests have shown that the ion source can operate stably for a long time that is principally defined by the target consumption. The mixed beam consisting of various solid ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) and ions of working gas can be obtained. Представлено новий прискорювач твердотільних іонів на базі магнетронного розпилюючого розряду. В такому іонному джерелі іони робочого газу використовуються для бомбардування і розпилювання матеріалів, які використовуються як циліндрична мішень. Розпилені атоми іонізуються й екстрагуються іонно-оптичною прискорюючою системою. Випробування показали, що іонний прискорювач може стабільно працювати протягом довгого часу без аніяких проблем і потребує лише заміни розпилюваної мішені. Отримані пучки різноманітних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) змішаних з іонами робочого газу. Представлен новый ускоритель твердотельных ионов на базе магнетронного распылительного разряда. В таком ионном источнике ионы рабочего газа используются для бомбардировки и распыления цилиндрической мишени, сделанной из металла или диэлектрического материала. Распыленные атомы могут быть ионизированы и извлечены ионно-оптической ускоряющей системой. Испытания показали, что ионный источник может устойчиво работать в течение длительного времени, которое преимущественно определяется расходом мишени. Получены смешанные ионные пучки, состоящие из различных твердотельных ионов (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) и ионов рабочего газа. This work was supported in part by the Science and Technology Center in Ukraine, project #1112. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Элементы ускорителей Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge Прискорювач твердотільних іонів на базі магнетронного розпилюючого розряду Ускоритель твердотельных ионов на базе магнетронного распылительного разряда Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge |
| spellingShingle |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge Azarenkov, N.A. Bizyukov, I.A. Kashaba, A.Y. Sereda, K.N. Элементы ускорителей |
| title_short |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge |
| title_full |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge |
| title_fullStr |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge |
| title_full_unstemmed |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge |
| title_sort |
solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge |
| author |
Azarenkov, N.A. Bizyukov, I.A. Kashaba, A.Y. Sereda, K.N. |
| author_facet |
Azarenkov, N.A. Bizyukov, I.A. Kashaba, A.Y. Sereda, K.N. |
| topic |
Элементы ускорителей |
| topic_facet |
Элементы ускорителей |
| publishDate |
2004 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Прискорювач твердотільних іонів на базі магнетронного розпилюючого розряду Ускоритель твердотельных ионов на базе магнетронного распылительного разряда |
| description |
A new solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge is described. The ions of working gas are
used to bombard and sputter a cylindrical target made of metal or dielectric material. The sputtered atoms can be
ionized and extracted by an ion optical accelerating system. Tests have shown that the ion source can operate stably
for a long time that is principally defined by the target consumption. The mixed beam consisting of various solid
ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) and ions of working gas can be obtained.
Представлено новий прискорювач твердотільних іонів на базі магнетронного розпилюючого розряду. В
такому іонному джерелі іони робочого газу використовуються для бомбардування і розпилювання
матеріалів, які використовуються як циліндрична мішень. Розпилені атоми іонізуються й екстрагуються
іонно-оптичною прискорюючою системою. Випробування показали, що іонний прискорювач може
стабільно працювати протягом довгого часу без аніяких проблем і потребує лише заміни розпилюваної
мішені. Отримані пучки різноманітних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) змішаних з іонами
робочого газу.
Представлен новый ускоритель твердотельных ионов на базе магнетронного распылительного разряда. В
таком ионном источнике ионы рабочего газа используются для бомбардировки и распыления цилиндрической мишени, сделанной из металла или диэлектрического материала. Распыленные атомы могут быть ионизированы и извлечены ионно-оптической ускоряющей системой. Испытания показали, что ионный источник
может устойчиво работать в течение длительного времени, которое преимущественно определяется расходом мишени. Получены смешанные ионные пучки, состоящие из различных твердотельных ионов (B, C, Si,
Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) и ионов рабочего газа.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79362 |
| citation_txt |
Solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge / N.A. Azarenkov, I.A. Bizyukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 114-116. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT azarenkovna solidionacceleratorbasedonmagnetronsputteringdischarge AT bizyukovia solidionacceleratorbasedonmagnetronsputteringdischarge AT kashabaay solidionacceleratorbasedonmagnetronsputteringdischarge AT seredakn solidionacceleratorbasedonmagnetronsputteringdischarge AT azarenkovna priskorûvačtverdotílʹnihíonívnabazímagnetronnogorozpilûûčogorozrâdu AT bizyukovia priskorûvačtverdotílʹnihíonívnabazímagnetronnogorozpilûûčogorozrâdu AT kashabaay priskorûvačtverdotílʹnihíonívnabazímagnetronnogorozpilûûčogorozrâdu AT seredakn priskorûvačtverdotílʹnihíonívnabazímagnetronnogorozpilûûčogorozrâdu AT azarenkovna uskoritelʹtverdotelʹnyhionovnabazemagnetronnogoraspylitelʹnogorazrâda AT bizyukovia uskoritelʹtverdotelʹnyhionovnabazemagnetronnogoraspylitelʹnogorazrâda AT kashabaay uskoritelʹtverdotelʹnyhionovnabazemagnetronnogoraspylitelʹnogorazrâda AT seredakn uskoritelʹtverdotelʹnyhionovnabazemagnetronnogoraspylitelʹnogorazrâda |
| first_indexed |
2025-11-25T00:58:07Z |
| last_indexed |
2025-11-25T00:58:07Z |
| _version_ |
1850503196869394432 |
| fulltext |
SOLID ION ACCELERATOR BASED ON MAGNETRON SPUTTERING
DISCHARGE
N.A. Azarenkov, I.A. Bizyukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda
Kharkiv National University, 31 Kurchatov Ave., 61108, Kharkov, Ukraine
E-mail: bizyukov@pht.univer.kharkov.ua
A new solid ion accelerator based on magnetron sputtering discharge is described. The ions of working gas are
used to bombard and sputter a cylindrical target made of metal or dielectric material. The sputtered atoms can be
ionized and extracted by an ion optical accelerating system. Tests have shown that the ion source can operate stably
for a long time that is principally defined by the target consumption. The mixed beam consisting of various solid
ions (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) and ions of working gas can be obtained.
PACS: 52.30.Ex; 52.50.Dg; 52.75.-d
1. INTRODUCTION
The sources of ions of solid materials are used for
implantation of impurities and dopants, thin-film depo-
sition, material modification. Designs of metal ion
sources can be divided into several types depending on
the 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 the ion source having more or less typi-
cal design [1,2]. Ions of metals, which have a relatively
low ionization potential, can be obtained due to surface
ionization directly on the hot metal surface [3,4]. But
these methods applied for metals with a high melting
temperature provide only a little beam current. In this
case a vacuum arc ion source is convenient [5]. In this
source a metal vapor vacuum arc discharge is used for
plasma production. In this type of the ion source the
pulse duration reaches 100 μs, pulse reiteration frequen-
cy is about 1 pulse per second and beam current is about
10 mA.
Ions of different metals may be also obtained by
sputtering from an electrode in a discharge. It is clearly
that only sputtered-based sources have simple construc-
tion and can operate under room temperature. Owing to
configuration of the electrical and magnetic fields being
orthogonal, stable glow discharges and intense sputter-
ing 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 the hollow-cylindrical magnetron
sputtering discharge is described.
2. DESIGN
The sketch of the accelerator is presented in Fig.1. It
consists of an ion source with ion-optical accelerating
system and focusing lens. The basic elements of the
construction of the hollow-cylindrical magnetron sput-
tering ion source are the following: anode (1), cathode
block (2) and magnetic system (3).
The water-cooled end anode is made of non-magnet-
ic stainless steel and is electrically isolated from the
cathode block. The anode is powered and cooled
through the isolated vacuum feedthroughs in the bottom
of the cathode block.
The water-cooled cathode block of the ion source is
multi-functional. It is used as a housing of the ion
source, as a magnetic circuit, and as a cathode of the
discharge gap. The magnetic system, gas inlet and ex-
traction electrode are installed in the cathode block. The
cathode block consists of the water-cooled hollow-cyl-
indrical housing with end flanges made of magnetically
soft material (4) which also is used as a holder of
sputtered target (5). The target is fixed in the cathode
block by hold-down nut (6) and by electrode-extractor
(7).
The magnetic system (3) consists of a hoop with per-
manent magnets which is fixed on the cathode block
housing and magnetically soft end flanges of the cath-
ode block. The magnetic system produces the arch mag-
netic field with a peak intensity of 500 Oe near the in-
terior surface of the sputtered target.
The working gas pressure is adjusted in a range of
10-2…10-3 Torr. The working gas is fed through the
channels of the cathode block (8) into the cathode-anode
discharge gap.
The cathode can be capacitively coupled to a
13.56 MHz RF power supply with a power up to 2.5 kW
or can be connected to the DC power supply with a neg-
ative potential up to 1000 V with respect to the anode.
The electric field crossed with magnetic field and ap-
plied to the sputtered cathode (5) creates intense plasma
in the near cathode region. From this region argon ions
are extracted and accelerated by the cathode potential
and sputter the target surface mainly in the region of the
magnetic field arch. The parameters of the discharge in
the DC mode are the following: voltage of 500 V and
current up to 5 A. The density of the sputtered atoms
grows beginning at the cathode surface towards the
cathode axis. The electrons move also from the dis-
charge region across the magnetic field towards the sys-
tem axis where the electron current density is maximal
and the total current of electrons is a discharge one.
Thus, in this 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. The extraction of ions is per-
formed by the electrode-extractor (7).
___________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.114-116. 114
Fig.1. The sketch of the ion source with the ion-optical accelerating system and focusing lens. 1- anode, 2- cathode
block, 3- magnetic system, 4- water-cooled hollow-cylindrical housing with end flanges, 5 - sputtered target,
6 - hold-down nut, 7 - and electrode-extractor, 8 - gas inlet pipe, 9 - focusing electrode, 10 - accelerating electrode,
11, 12 – electrodes of electrode electrostatic formative lens, 13 - vacuum bellows joint, 14 - mechanical driver
The advantage of such a construction of the ion
source is fairly small losses of sputtered material owing
to isolation of the gas discharge volume. The non-ex-
tracted atoms are deposited on the target surface and can
be sputtered again. This fact, coupled with the absence
of hot cathodes in the source construction, provides a
greatly enlarged operational life of the target and oppor-
tunity to operate with chemically active working sub-
stances.
The ion optical accelerating system produces electric
field which extracts ions from the magnetron discharge
plasma and forms them into a beam. The electrode
shape of the acceleration system approaches to Pierce
geometry. It consists of electrode-extractor (7) installed
into the cathode block, focusing electrode (9) and accel-
erating electrode (10). The use of three-electrode ion
optical accelerating system is required for spatial stabil-
isation of the emissive plasma boundary at different ac-
celerating voltage in a wide range from 0.5 to 10 kV.
Three-electrode lens (10, 11, 12) with the internal
diameter of 30 mm is used for additional ion beam fo-
cusing. The lens insulators are shielded from the beam
to prevent charging and spark track formation. Three-
electrode lens shape and focus the ion beam in a drift
space to the position of a diaphragm. The inner diameter
of the diaphragm is 3 mm. The lens with a large diamet-
er provides high-quality ion optical properties of the
beam with minimum spherical aberration.
3. THE ION SOURCE OPERATION
During experiments the discharge voltage (Udis), dis-
charge current (Idis) and pressure (p) were measured.
The discharge was initiated in the area of the sput-
tered target, under such conditions: voltage was in the
range of Udis=325…530 V and discharge current
changed in the range of Idis=0.3…8 A, pressure was in
the range of p= 5⋅10-4…5⋅10-3 Torr. Fig.2 shows typical
voltage-current plots at different pressures.
The electron current density distribution along the
radius of the hollow-cylindrical sputtered cathode at dif-
ferent discharge parameters was also measured (Fig.3).
It can be seen that the electron current reaches a value
of discharge current at the system axis, i.e. the stream of
electrons from the discharge region travels across a
magnetic field in radial direction towards the system ax-
is. The stream of sputtered atoms is formed and travels
also towards the cathode axis where the sputtered atom
density peaks. Thus, in the given discharge configura-
tion, both the density of sputtered atoms and the density
of electrons have the peak at the system axis. This pro-
vides the effective ionization of sputtered target atoms
and the enhanced current of extracted solid ions.
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
)
-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
m2 )
Radius (mm)
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
Fig.3. The current density distribution along the beam
radius: 1 – Idis=5 A, 2 – Idis=8 A. p=3⋅10-3 Torr
___________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.114-116.115
4. CONCLUDING REMARKS
A new solid ion source is described. The ion source
based on the 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 the capacitively coupled RF discharge with a
frequency 13.56 MHz is used for generation of ions of
other solid materials.
ACKNOWLEDGEMENT
This work was supported in part by the Science and
Technology Center in Ukraine, project #1112.
REFERENCES
1. H.Sigiura // Rev. Sci. Instrum. 1979, v.50, p.84.
2. M.A.Hasan, J.Knall, S.A.Barnett, A.Rockett,
J.E. Sundgern, J.E.Greene // J. Vac. Sci. Technol.
1978, v.B5, p.1332.
3. N.Rynn, N.D’Angelo // Rev. Sci. Instrum. 1960,
v.31, p.1326.
4. E.H.Hirsh and I.K.Varga // Rev. Sci. Instrum. 1975,
v.46, p.338.
5. I.G.Brown, J.E.Galvin, R.A.MacGill, R.T.Wright //
Particle Accelerator Conference. 1987, Washing-
ton, DC, March 1987.
УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИОНОВ НА БАЗЕ МАГНЕТРОННОГО
РАСПЫЛИТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА
Н.А.Азаренков, И.А.Бизюков, А.Е.Кашаба, К.Н.Середа
Представлен новый ускоритель твердотельных ионов на базе магнетронного распылительного разряда. В
таком ионном источнике ионы рабочего газа используются для бомбардировки и распыления цилиндриче-
ской мишени, сделанной из металла или диэлектрического материала. Распыленные атомы могут быть иони-
зированы и извлечены ионно-оптической ускоряющей системой. Испытания показали, что ионный источник
может устойчиво работать в течение длительного времени, которое преимущественно определяется расхо-
дом мишени. Получены смешанные ионные пучки, состоящие из различных твердотельных ионов (B, C, Si,
Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) и ионов рабочего газа.
ПРИСКОРЮВАЧ ТВЕРДОТІЛЬНИХ ІОНІВ НА БАЗІ МАГНЕТРОННОГО
РОЗПИЛЮЮЧОГО РОЗРЯДУ
М.О. Азаренков, І.О. Бізюков, А.Є. Кашаба, К.М. Середа
Представлено новий прискорювач твердотільних іонів на базі магнетронного розпилюючого розряду. В
такому іонному джерелі іони робочого газу використовуються для бомбардування і розпилювання
матеріалів, які використовуються як циліндрична мішень. Розпилені атоми іонізуються й екстрагуються
іонно-оптичною прискорюючою системою. Випробування показали, що іонний прискорювач може
стабільно працювати протягом довгого часу без аніяких проблем і потребує лише заміни розпилюваної
мішені. Отримані пучки різноманітних твердотільних іонів (B, C, Si, Ti, V, Fe, Ni, Ta, W) змішаних з іонами
робочого газу.
116
N.A. Azarenkov, I.A. Bizyukov, A.Y. Kashaba, K.N. Sereda
E-mail: bizyukov@pht.univer.kharkov.ua
УСКОРИТЕЛЬ твердотельных ионов на базе магнетронного
распылительного разряда
Н.А.Азаренков, И.А.Бизюков, А.Е.Кашаба, К.Н.Середа
РОЗПИЛЮЮЧОГО РОЗРЯДУ
|