Устройство для обработки подложек ионами углерода

 

Изобретение относится к ионно-вакуумной обработке материалов. Цель - повысить эффективность технологического оборудования . Устройство содержит подложкодержатель и источник ионов дугоплазматронного типа, размещенные в вакууме, дополнительный электрод с апертурой, установленный на оптической оси ионного пучка на расстоянии , равном 0,6-0,7 от расстояния между извлекающим электродом и подложкодержателем, Дополнительный электрод подключен к аноду источника ионов. Это обеспечивает протекание процесса перезарядки быстрых ионов на медленных нейтронах , в результате которой на подложку приходит поток медленных ионов перезарядки , плотность которого на порядок выше , чем плотность первичного потока ионов такой же энергии, обусловленная законом 3/2. 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 27/08

ГОСУДАРСТВЕ1+ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (lOC0ATEHT СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4670442/25 (22) 31.03.89 (46) 15,04.93. Бюл, М 14 (72) В.M.Ïóýèêîâ и А.В.Семенов (56) Kaufman НЯ. et аП, l. Vac.Scien, Techno)., 1982, v.21, р.725, Габович M.Ä, Плазменные источники ионов. М.: Энергоатомиздат, 1978, с.85. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК ИОНАМИ УГЛЕРОДА (57) Изобретение относится к ионна-вакуумной обработке материалов, Цель — повысить эффективность технологического оборудования. Устройство содержит подложкодержатель и источник ионов дугоплазматронного

Изобретение относится к плазменным источникам ионов и может быть использована в ионна-лучевой технологии, связанной с использованием потока ионов низкой энергии с достаточно высокими плотностью и величиной тока.

Известное устройство для ионной обработки, содержащее держатель объекта, газоразрядную камеру, извлекающий электрод, позволяющее получать потоки ионов низкой энергии, ограниченные законом "3/2". Для повышения величины извлекаемого ионного тока выходное сечение газоразрядной камеры и извлекающего электрода развивают в поперечном направлении из-эа низкой плотности плазмы на границе отбора ионов из нее. Недостатком такого источника является неравномерность распределения плотности ионного. тока по сечению пучка.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для ионной обра.. Ы 1685210 А1 типа, размещенные в вакууме. дополнительный электрод с апертурой, установленный на оптической оси ионного пучка на расстоянии, равном 0,6 — 0,7 ат расстояния между извлекающим электродом и подложкодержателем, Дополнительный электрод подключен к аноду источника ионов, Это обеспечивает протекание процесса перезарядки быстрых ионов на медленных нейтронах, в результате которой на подложку приходит поток медленных ионов перезарядки, платность которого на порядок выше, чем плотность первичного потока ионов такой же энергии, обусловленная законом

"3/2". 2 ил, Ф

3 ботки материалов, содержащее подложкодержатель, источник ионов дугоплазматраннага типа с термокатодом, анодом, магнитной системой с аксиальным магнитным полем, электродом-экспандером, извлекающим электродом и промежуточным анодом, в полости которого установлен гра-. д фитовый тигель. Его недостатком является малость извлекаемых ионных таков при низ- О© ких энергиях ионов, обусловленная действием закона "3/2", Цель изобретения — повышение эффективности устройства при низких энергиях извлекаемых ионов.

В устройстве на оптической оси источника за извлекающим электродом на расстоянии Э,б — 0,7 расстояния между последним и падлажкодержателем установлен дополнительный электрод, электрически соединенный с анодом. С помощью дополнительного электрода производится изменение распре1685210 деления потенциала на оси источника и тем самым управление энергией ионов в пространстве дополнительного электрода, что позволяет эффективно управлять процессом перезарядки ионов в ионном пучке в области дополнительного электрода.

Это обуславливается тем, что в потоке извлекаемых ионов содержится большая часть нейтральных атомов, которая в зависимости от параметров работы источника (давления газа, магнитного поля и др.) может значительно превышать ионную компоненту. Например, при потоке ионной компоненты 10 см поток нейтральной

16 -2 компоненты может составлять 101 -101" сМ 2 в зависимости от режима работы источника.

Вследствие этого в результате взаимодействия ускоренных в пучке ионов с медленными нейтральными атомами происходит резонансная перезарядка ионов

А6 +Ам =А6 +Ал1

+ о о + в результате чего образуется медленный ион и быстрый атом. Сечение резонансной перезарядки является максимальным при равенстве энергии ионов и атомов, это условие легко обеспечивается подачей соответствующего потенциала на дополнительный электрод.

При этом экспериментально наблюдается увеличение в 1,5 — 2 раза величины тока вторичных ионов по сравнению с током первичных, которое можно обьяснить усилением ионизации атомов электронным ударом (при низких энергиях сечение ионизации электронным ударом, как известно, максимально). Источником ускоренных электронов является сам пучок ионов.

Кроме того, энергия образованных втор ичн ых ионов рабочего ве щества onределяется разностью потенциалов области перезарядки и подложки и может быть предельно малой.

При этом, так как процесс образования вторичных ионов происходит вблизи подложки, исключается необходимость в решении проблемы транспортировки интенсивногО потока ионов.

Так как вторичные ионы в области перезарядки имеют начальну о энергию, близкую к тепловой, Они начинают движение в сторону большего градиента электрического поля. Для того, чтобы предотвратить движение ионов в сторону извлекающего электрода, находящегося под потенциалом земли, область перезарядки, т.е,дополнительный электрод, располагают ближе к подложке, находящейся также под потенциалом земли, Достаточная величина смещения для этой цели — (0,6-0,7) расстояния между извлекающим электродом и подложкой. При расстоянии, большем 0,7, появляются трудности, связанные с транспортировкой первичного пучка в область перезарядки.

5 Благодаря тому, что отбор ионов происходит с площади сечения пучка в области дополнительного электрода, поток ионов, поступающий на подложку, является одно. родным на большей площади, чем первичный пучок без перезарядки.

Таким образом, за счет перезарядки пучка ионов с повышенной энергией (70100 эВ) в потоке собственных нейтральных атомов, формируется интенсивный поток, вторичных медленных ионов, энергия которых может быть предельно малой. Если . сравнивать интенсивность первичного пучка ионов с энергией 20 эВ с интенсивностью потока вторичных ионов с той же энергией, 20 полученных в результате перезарядки первичных ионов с.энергией 100 эВ, то интенсивность потока вторичных ионов оказывается больше примерно на порядок величины.

На фиг. 1 схематично изображено пред25 лагаемое устройство; на фиг.2 — график зависимости тока первичных и вторичных ионов на подложку от потенциала дополнительного электрода, приведенного к потенциалу извлекающего электрода, где кривая

30 20 — ток вторичных ионов, кривая 21 — первичных ионов, измерения проводились при вытягивающем напряжении 150 8.

Как видно из кривых, при небольших величинах напряжения на дополнительном

35 электроде (Од ) относительно анодного напряжения (Ua ) пучок содержит две компоненты — ток первичных ионов и вторичных.

При приближении Upped к Ugg ток первичных ионов уменьшается, а вторичных — рас40 тет, достигая максимума при Одоп = Оан. При этом ток первичных ионов практически нулевой.

Предлагаемое устройство содержит анод 1, являющийся магнитчым полюсом, 45 изготовленный из магнитомягкого железа в виде цилиндра. В прямоугольный паз в центре анода вставлен электрод-экспандер 2, выполненный в виде призмы из тантала со щелью на боковом ребре размером 0,8 х

50 40 мм2. Двугранный угол полости расширения плазмы 1200. Промежуточный анод 3, являющийся внутренним магнитопроводом, изготовлен из магнитомягкого железа и заканчивается магнитным полюсом, имеющим прямоугольный паз 25 х 80 мм.

Промежуточный анод 3 и анод 1 имеют проточку 4 для водяного охлаждения. Для создания в зазоре между промежуточным анодом 3 и анодом 1 неоднородного магнитнОго поля на промежуточный анод 3 надет

1685210 соленоид 5 с внешним магнитопроводом 6, В полости 7 промежуточного анода 3 имею1 щей прямоугольное сечение, установлен графитовый тигель 8. являющийся источником рабочего пара и имеющий щелевидный канал 9 сечением 3 х 40 мм, систему экраном 10 из молибдена и тантала, и молибденовый корпус 11. В полость тигля помещен .термокатод 12 из танталовой проволоки диаметром 0,8 мм, который через изоляторы

13 укреплен в корпусе и соединен с токовводом 14.

В корпусе 15 расположен фланец 16 для дополнительной откачки источника в процессе работы, что позволяет свести газовыделение в вакуумную систему до минимума.

Устройство снабжено извлекающим электродом 17,дополнительным электродом 18 и подложкодержателем 19.

Дополнительный электрод 18 расположен на расстоянии (0,6 — 0,7) расстояния между извлекающим электродом 17 и подложкодержателем 19 и представляет собой две однопотенциальные прямоугольные пластины шириной 1,5 ширины пучка и длиной 0,1 расстояния между извлекающим электродов 17 и подложкодержателем 19.

Работа источника на примере получения ионов углерода происходит следующим образом.

Нагрев графитового тигля 8 до температуры, обеспечивающей давление его пара, необхоцимое для поджигания и горения дуги (10 -102 мм рт.ст.) осуществляется изнутри тигля 8 в два этапа;вначале нагрев графита выполняется термоэмиссионным электронным током путем разогрева термокатода 12 и прикладывания напряжения между катодом 12 и тиглем 8. На катод подается напряжение через токоввод 14,.установленный на изоляторах 13, Тигель 8 теплоизолирован от водоохлаждаемого промежуточного анода 3 тепловыми экранами 10. Охлаждение водой осуществляется через каналы 4. После достижения давления паров углерода необходимой величины (10 мм рт.ст.) зажигают дуговой разряд, и нагрев рабочего вещества осуществляется этим же дуговым разрядом. Одновременно с первым зажигают второй дуговой разряд в канале 9 между катодом 12 и анодом 1 и газовый разряд выходит на обычный для него режим работы, Неоднородное магнитное поле в области экспандера 2 создается катушкой 5. во внешней цепи магнитное по5 ле замыкается магнитопроводом 6, После выхода на режим источника ионов и вытягивания первичного пучка ионов на дополнительный электрод 18 подается потенциал, равный потенциалу анода, 10 так как извлекающий электрод 17 находится под потенциалом земли, происходит формирование вторичного потока ионов, Так, для генерации пучка ионов углерода с током 80 мА и энергией 60 эВ были использованы

15 следующие режимы. Ток накала катода 45 А, ток и напряжение промежуточного и анодного разрядов 22,90 и S А и 100 8, соответственно магнитное поле в щели экспандера составляло 700 э. Извлекающая разность

20 потенциалов 60 В, подложкодержатель 19 находился под потенциалом земли.

Благодаря тому, что дополнительный электрод 18 расположен на расстоянии 80

-мм от подложки, транспортировка ионов

25 низкой энергии (10 — 100 эВ) осуществляется без заметных потерь при плотностях тока

5,10 м/см . Кроме того, однородность потока ионов по сечению значительно выше однородности по сечению первичного пучка

30 ионов в связи с отсутствием фокусирующих элементов при формировании потока ионов.

Формула изобретения

Устройство для обработки подложек

35 ионами углерода, содержащее электроподложкоде ржател ь с обрабатываемой подложкой и источник ионов дугоплазматронного типа с термокатодом, анодом, промежуточнымм анодом с полостью, в которой расположен

40 графитовый тигель, электродом-экспандером и извлекающим электродом, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения эффективности обработки за счет снижения энергозатрат на создание интенсивного пучка

45 ионов углерода при низких энергиях извлекаемых ионов, за извлекающим электродом со смещением вдоль оси симметрии источника ионов, равным (0,6 — 0,7) расстояния от последнего до поверхности подложки, уста50 новлен дополнительный электрод, электрически связанный с анодом, 1685210

Фар. 1

ЦО

1 Ц ап/О н. с

Составитель А.Латай

Редактор M.Âàñèëüåâà Техред М,Моргентал Корректор И.Муска

Заказ 1968 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". r Ужгород, ул.Гагарина, 101