Способ имплантации ионов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и может быть использовано для улучшения электрофизических, химических и механических свойств приповерхностных слоев металлов и сплавов, полупроводников и др. материалов. Цель изобретения расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения дозы внедренной примеси при имплантации. Устройство, реализующее способ, содержит плазменный источник 1 с системой питания, систему 2 ускорения пучка ионов, генератор 3 запускающих импульсов, схему 4 задержки импульсов, систему 5 регистрации и обработки характеристических рентгеновских импульсов, предусилитель 6, детектор 7, изолятор 8, дополнительный изолированный образец 9, электрическую емкость 10, образец 11, держатель 12, ограничитель 13 верхнего и нижнего порогов напряжения, схему 14 совпадения и вакуумную камеру 15. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств приповерхностных слоев металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др. материалов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения дозы внедренной примеси при имплантации. На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 - схема ограничителя нижнего и верхнего напряжения на образце; на фиг.3 - диаграммы состояний работы ограничителя. Устройство содержит плазменный источник 1 с системой питания, импульсно-периодическую систему 2 ускорения пучка ионов, генератор 3 запускающих импульсов, схему 4 задержки импульсов, систему 5 регистрации и обработки ХРИ, предусилитель 6, детектор 7 характеристического рентгеновского излучения, изолятор 8, дополнительный изолированный образец 9, электрическую емкость 10, образец 11, держатель 12, ограничитель 13 верхнего и нижнего порогов напряжения, схему 14 совпадения, вакуумную камеру 15. В вакуумной камере 15 установлен плазменный источник с системой питания, напротив которого на пути пучка ускоренных ионов коаксиально расположен держатель 12 образца. На держателе 12 установлен образец 11. Дополнительный образец 9 установлен на изоляторе 8, расположенном также на держателе 12. Между держателем 12 и дополнительным образцом сформирована электрическая емкость 10 (например, включен конденсатор), параллельно которой включен ограничитель 13 верхнего и нижнего напряжений. Внутри камеры 15 также установлен детектор 7 характеристического рентгеновского излучения. Вне вакуумной камеры располагается импульсно-периодическая система 2 ускорения пучков ионов. Выходы генератора 3 запускающих импульсов соединены с импульсно-периодической системой 2 ускорения пучка ионов и через схему задержки импульсов - со схемой 14 совпадения, выход которой, в свою очередь, электрически соединен с предусилителем 6. Вход предусилителя 6 подключен к детектору 7, а на выходе установлена система 5 регистрации и обработки характеристического рентгеновского излучения. Выход ограничителя 13 верхнего и нижнего порогов напряжения и выход схемы 4 задержки подключены к схеме 14 совпадения, выход которой, в свою очередь, подключен к предусилителю 6. Устройство работает следующим образом. После вакуумирования камеры 15 до давления порядка 10^-2 - 10^-5 Па с генератора 3 запускающих импульсов сигнал поступает на импульсно-периодическую систему 2 ускорения пучка ионов и схему 4 задержки импульсов. Плазменный источник 1 с системой питания может работать как в непрерывном режиме с однократным запуском от генератора 3 запускающих импульсов, так и в частотно-импульсном. После срабатывания системы питания в источнике 1 формируется плазма. После срабатывания системы 2 ускорения формируется импульс напряжения. Импульс напряжения положительной полярности, поступающий на плазменный источник 1 с системой питания, обеспечивает ускорение пучка ионов с параметрами: длительность импульса t, энергия ионов E = eU; где е - заряд электрона; U - ускоряющее напряжение, плотность тока ионов j_с. Ускоряемые ионы попадают как на основной 11, так и дополнительный изолированный 9 образцы. В процессе облучения заряд внедренных ионов в образце 11 стекает на заземленный держатель 12. Поток вторичных электронов с образца 11 под действием ускоряющего поля движется в сторону плазменного источника 1. При облучении ионами дополнительного изолированного образца 9 происходит следующее. Ионный пучок, перенося заряд, приводит к повышению потенциала дополнительного изолированного образца 9. Вторичные электроны, возникающие при воздействии ускоренных ионов на материал дополнительного образца 9, под действием ускоряющего поля покидают образец, повышая его потенциал. Величина потенциала, до которого заряжается дополнительный образец 9 за один импульс облучения, зависит от плотности тока ионного пучка j_i, площади S образца 9, длительности импульса t, коэффициента вторичной электронной эмиссии γ, величины электрической емкости 10 и для случая постоянства плотности тока j_i в течение длительности импульса определяется из следующего соотношения U_c= , где С - величина электрической емкости 10. Напряжение с дополнительного изолированного образца 9 поступает на вход ограничителя 13 верхнего и нижнего порогов напряжения, схема которого приведена на фиг.2. Он состоит из высоковольтного делителя R₁, R₂, ограничивающих сопротивлений R₃-R₅, R₆, трех компараторов, выполненных на интегральных микросхемах типа К554СА2, D-триггера К155ТМ2, электронного ключа (ЭК), выполненного на транзисторе КТ315, реле и конденсатора. Сигнал "Разрешение" формируется с помощью компаратора 16 (фиг.2), который производит сравнение двух напряжений: напряжения U_c емкости 10 и U_пор от внешнего стабилизированного источника напряжения. В случае, если потенциал образца и потенциал, накопленный на электрической емкости 10, превышают потенциал возбуждения ХРИ, то схема формирования сигнала выдает логическую "1" на схему 14 совпадения. Диаграммы показаны на фиг.3 (А, Б). Схема 14 совпадения представляет собой логический элемент 2И-НЕ, выполненный на базе интегральной микросхемы К155ЛА3. При появлении логических сигналов с генератора 4 и сигнала "Разрешение" с ограничителя 13 схемы 14 разрешает работу устройства. Основная часть схемы ограничителя нижнего и верхнего порогов потенциала на емкости 10 построена из двух компараторов 17 и 18, D-триггеров ДД1, электронного ключа ЭК, реле, ограничивающего сопротивление R₆, и емкости (фиг.2). Принцип работы поясняется диаграммами (фиг. 3 А, В, Г). При достижении на образце потенциала значения U_огр2 в первоначальный момент времени t₂ ограничитель верхнего и нижнего порогов не формирует сигнала управления для реле и цепочка RC закорочена на земляную шину. Далее при достижении U_c значения U_огр1 происходит срабатывание компаратора 17 (фиг.3,В), который передним фронтом переключит D-триггер из состояния логического "0" в "1", тем самым срабатывает ЭК и реле, которое контактами подключит RC-цепочку к электрической емкости 10 (фиг.1), тем самым осуществляется разрядка емкости 10 до величины U_с, равной U_огр2 за время τ= RC. При достижении потенциала на образце U_c = U_огр2 сработает компаратор 18, на выходе которого установится логической "0" (фиг. 3г). Это, в свою очередь, переведет D-триггер в логический "0" и электронный ключ обесточит реле, которое своими контактами замкнет RC-цепочку на земляную шину, отключив ее от электрической емкости 10. Процесс накопления заряда на емкости повторяется. Верхний U_огр1 и нижний U_огр2 пороги ограничителя служат для уровня разброса потенциала мишени от импульса к импульсу (фиг. 3А). После поступления сигнала от генератора 3 запускающих импульсов на схему 4 задержки импульсов последняя обеспечивает задержку импульса на время τ, превышающее длительность импульса тока ускоренных ионов t. После того, как на схему 14 совпадения поступят сигналы как от ограничителя 13 порога напряжения, так и от схемы 4 задержки, последняя подает сигнал на предусилитель 6 детектора характеристического рентгеновского излучения. После окончания импульса ионного тока электрическое поле, созданное положительно заряженным дополнительным изолированным образцом 9, ускоряет свободные электроны из остаточного газа и плазмы ионного источника. При попадании ускоренных электронов на образец 9 происходит возбуждение атомов, из которых состоит вещество образца 9. Для возбуждения ХРИ примеси необходимо, чтобы энергия ускоренных электронов превышала энергию характеристических рентгеновских квантов исследуемого элемента E_γ . Таким образом, условие возбуждения ХРИ с заданной энергией γ-квантов ( E_γ) достигается за счет увеличения потенциала образца 9 до величины U_с >> U_В, где U_B - потенциал возбуждения характеристической линии. Для исключения влияния ХРИ самого образца из ХРИ примеси образец выбирают из материала, ХРИ которого отличается от ХРИ имплантируемой примеси. Характеристические j-кванты внедренной примеси в дальнейшем попадают на детектор 7. Сигнал с детектора поступает на вход предусилителя 6, который в случае прихода на него сигнала со схемы 14 совпадения усиливает сигнал и передает его в систему 5 регистрации и обработки ХРИ. Превышение длительности задержки τ над длительностью импульса тока ионов t исключает возможность генерации ХРИ с возбуждением самим ионным пучком, которое не может давать высокой точности измерений дозы ранее внедренных ионов. Учитывая, что материал образца и внедряемой примеси выбраны с различными энергиями возбуждения ХРИ, система 5 регистрации и обработки дает информацию о дозе внедренной примеси по интенсивности выхода ХРИ примеси. Для получения абсолютных значений дозы внедренных ионов вся аппаратура предварительно калибруется по эталону с известным содержанием микропримеси. За время между соседними импульсами тока ускоренных ионов происходит снижение потенциала образца 9 за счет электронного тока с плотностью j_е. После снижения потенциала образца ниже потенциала возбуждения примеси с ограничителя 13 напряжения прекращается подача сигнала на схему 14 совпадения и выключается предусилитель, что приводит к прекращению измерения ХРИ. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить фон и повысить концентрационную чувствительность элементов определения. В общем случае при частотно-импульсном облучении образца выражение для потенциала имеет вид U = (2) Данный метод имплантации ионов позволяет измерять дозу внедренной примеси не только при одноэлементной, но и при сложной многоэлементной поочередной и одновременной имплантации, что в свою очередь существенно расширяет его функциональные возможности. Необходимым условием является выбор материала образца 9 и имплантируемых элементов с различными по величине энергиями характеристического рентгеновского излучения Е_γ. В этом случае в условии U_c > U_γ U _γ соответствует наибольшему из потенциалов возбуждений ХРИ выбранных элементов. Кроме того, данный метод позволяет измерять динамические характеристики накопления примеси при имплантации, так как в этом случае величина выхода ХРИ зависит не от числа внедряемых, а от числа внедренных ионов. Это означает, что процессы распыления атомов примеси вместе с материалом образца в процессе имплантации, так же как и эффекты отражения ионов, вторичная электронная и ионная эмиссии не влияют на результаты измерения дозы ионов. Таким образом достигается существенное расширение функциональных возможностей точности измерения дозы внедренной примеси в предлагаемом способе и устройстве для имплантации ионов. Кроме того, поскольку в период непосредственной имплантации предусилитель закрыт и условия регистрации ХРИ не зависят от величины плотности тока, то метод и устройство применимы одинаково в широком диапазоне токов от долей микроампер до нескольких сотен ампер.

Формула изобретения

1. Способ имплантации ионов, включающий вакуумирование объема до давления 10^-2 - 10^-5 Па, формирование пучка ускоренных ионов, облучение образца и измерение дозы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения дозы внедряемой примеси, одновременно с облучением основного образца производят облучение дополнительного образца последовательностью импульсов тока пучка ускоренных ионов, причем дополнительный образец изготавливают из материала, характеристическое рентгеновское излучение которого отлично от характеристического рентгеновского излучения внедряемой примеси, а измерение дозы осуществляют по характеристическому рентгеновскому излучению примеси в промежутке между импульсами тока пучка ускоренных ионов после того, как потенциал дополнительного образца превысит потенциал возбуждения характеристического рентгеновского излучения примеси. 2. Устройство для имплантации ионов, содержащее вакуумную камеру с установленным в ней плазменным источником ионов с системой питания, систему формирования и ускорения пучка ионов, держатель образцов, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения дозы внедряемой примеси система ускорения выполнена импульсно-периодической, на держателе образцов через изолятор установлен дополнительный образец, напротив которого установлен детектор характеристического рентгеновского излучения с системой регистрации и обработки спектра, между дополнительным образцом и держателем подключены электрическая емкость и ограничитель верхнего и нижнего порогов напряжения, выход которого подключен к схеме совпадения, а выход генератора запускающий импульсов - к импульсно-периодической системе ускорения и к схеме задержки импульса, выход которой подключен к схеме совпадения, причем величина электрической емкости выбрана из выражения C ≅ · 1 + γ - , (мкФ), где S - площадь облучаемой поверхности дополнительного образца, м²; D_мин - минимальная доза, которую необходимо зарегистрировать ион/см²; e - заряд электрона,
γ - коэффициент вторичной электронной эмиссии;
U_B - потенциал возбуждения ХРИ примеси, В;
j_i - плотность тока ионов в импульсе, мА/см²;
j_e - плотность тока электронов на образец, мА/см²;
τ_и - длительность импульса ускоренных ионов, мкс;
F - частота следования импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3