Источник быстрых тяжелых атомов

 

Использование: в электрофизике, в частности системах служащих для получения потоков быстрых тяжелых атомов, используемых, например, для имплантации ионов (атомов) в поверхность материалоа Сущность: применение ловушки с вращающейся плазмой в качестве источника быстрых тяжелых атомоа Изобретение обеспечивает повышение мощности источника быстрых тяжелых ионов (атомов) для ионной имплантации, повышение универсальности источника, позволяющего использовать любой сорт атомов, и чистоты получаемых быстрых атомов без применения каких-либо сепаратороа t ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и TQBRpHsIM знакам (21) 4943698/21 (22) 12.05.91 (46) 30.1193 Бюа йя 43-44 (71) Институт ядерной физики СО РЯН (72) Волосов B.È. (73) Институт ядерной физики СО РАН (54) ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ ТЯЖЕЛЫХ АТ0МОВ (57} Использование: в электрофизике, в частности системах служащих для получения потоков быст-. рых тяжелых атомов, используемых, например, для (ts) <1ц 2004081 1 (Я) Н05НЗ 00 имплантации ионов (атомов) в поверхность материалов Сущность: применение ловушки с вращающейся плазмой в качестве источника быстрых тяжелых атомов. Изобретение обеспечивает повышение мощности источника быстрых тяжелых ионов (атомов) для ионной имплантации, повышение универсальности источника, позволяющего использовать любой сорт атомов, и чистоты получаемых быстрых атомов без применения каких-либо сепараторов 1 ип.

2004081 ионного источника и устройства для их уско- 10 рения (ускорителя тяжелых ионов) t1 ), 20 также затрудняет работу с источником. Не для всех видов ионов имеются разработан- 40 ные источники ионов. В большинстве подоИзобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для получения потоков быстрых тяжелых (m>1) атомов с энергией 20-500 кВ, используемых, например, для имплантации ионов (атомов) в поверхность материалов, Известны устройства, предназначенные для получения потоков быстрых тяжелых ионов для имплантации, состоящие из

В таких устройствах затруднено получение достаточно мощных потоков тяжелых ионов, во-первых, из-за недостаточной интенсивности ионных источников тяжелых ионов, во-вторых, из-за ограничений экстрагируемого тока ионов, связанных с обьемн ым зарядом этих ионов. Для цилиндрического пучка в соответствии с законом Чайлдса-Лангмюра максимальное значение этого тока (п,д)1 g(Plg) 1/2 U@В)з/2 S2/Ð 17 2) где А/а — отношение массы к заряду, ат.ед.;

U — ускоряющее напряжение; S-rid — отношение радиуса выходной апертуры пучка v размеру зкстрагирующега промежутка, Для

S-0,5, гл=40и U=25 кВ этотток равен 6,5еА, реальные значения этого тока обычно на порядок ниже.

В подобных устройствах затруднена смена вида ионов. Обычно смена вида ионов, если это ионы металлов или какихлибо твердых веществ, требует полной замены ионного источника, Следует отметить, что в источниках металлических ионов используются высокотемпературные печи, что

: бных устройств для очистки пучка ионов от примесей используются специальные магнитные сепараторы, заметно услажня ощие конструкцию устройства.

Прототипом источника быстрых ионов для имплантации является источник, описанный в (2).

Целью изобретения является повышение мощности источника быстрых тяжелых ионов {атомов) для ионной имплантации, павы шен ие ун иве рсал ьн ости источника, позволяющегоо использовать любой сорт атомов, повышение чистоты получаемых быстрых атомов беэ использования каких-либо сепараторов.

Цель достигается применением магнитной лавушки со скрещенными магнитным и электрическим полями. в которой реализу25

ЗО

35 ется разряд с образованием тяжелых ионов, впервые в качестве источника быстрых тяжелых атомов, что соответствует критериям

"новизна" и "существенные отличия".

На чертеже изображена магнитная ловушка со скрещенными электрическим и магнитным полями, или ловушка с вращающейся.плазмой (JlBfl).

На чертеже 1-катушки электромагнита, 2-вакуумная камера, За — внутренний лайнер — катод, Зб — внешний лайнер — анод, 4

-торцовые электроды, 5- проходной изолятор, 6 — система высоковольтного питания, 7 — патрубок вакуумной откачки, 8 — вакуумный шибер, 9 — локальная перезаряднэя мишень, 10 — образец.

TBK«G ловушки используются для получения и удержания горячей водородной плазмы. В такой системе при выполнении ряда условий образуется плазма, состоящая из ионов, которые образуются за счет ионизации распыленных атомов катоднаго электрода. Ионы,. образовавшиеся вблизи анода, ускоряются радиальным электрическим полем и движутся по циклоидальным траекториям, достигая максимальной энергии вблизи катода. Падающие на катод ионы образуют за счет процесс самараспыления поток нейтральных атомов, поддерживающих баланс частиц в разряде. Перезарядив-. шиеся вблизи катода ионы уходят в виде нейтральных атомов в радиальном направлении (веерный поток). Плазма в атом разряде имеет вид плоского диска шириной 2-5 см, радиальный размер плазмы совпадает с размером наружного лайнера, поэтому уходящие атомы движутся перпендикулярна ос«ловушки с очень небольшой угловой расходимостью. Полный ток этих атомов(эквивалентный ток) порядка 100А в импульcaxдлительностью 2 — 5 10 с. Энергия этих атомов равна энергии ионов в момент перезарядки и по порядку величины определяется полным напряжением, приложенным к разряду (10 — 40 кэВ). Могут существовать как импульсный, так и непрерывный режимы работы этой системы.

Условия, необходимые для образования потока быстрых атомов в подобной ловушке, следу ощие: на центральный электрод подается отрицательный потенциал, коэффициент сэмораспыления для ионов, падающих на катод, больше единицы, для большинства металлов это эквивалентно тому, что полный потенциал между анодом и катодом должен быть не менее 10 — 20 кВ (в зависимости от вида ионов), в плазме должны присутствовать нейтральные атомы, на которых идет перезарядка тяжелых ионов, или локальная перезарядка мишень (струя

2ä04081

40 газа, например) для формирования направленного потока атомов.

Следует обратить внимание на две особенности ЛВП.

Практически во всех плазменных установках, где создается магнитно- удерживаемая плазма с достаточно высокой температурой, присутствуют ионы с m >1, т.н. тяжелые примеси. Однако обычно энергия этих примесей достаточно низка (меньше или порядка энергии ионов водорода), поскольку их нагрев осуществляется за счет столкновений с ионами водорода, В JlBn нагрев всех ионов идет в скрещенных алек-. 15 трическом и магнитном полях, поэтому энергия ионов (за достаточно короткое время жизни инов в разряде) определяется скоростью вращения плазмы Vp=c Е/Н (Е и Н вЂ” напряженность электрического и магнит- 20 ного полей, с — скорость света) и равна в нижней точке траектории mi(2 ) /2, таким образом энергия тяжелых ионов s mt/mp раз больше энергии ионов водорода, 25:

Несмотря на необходимость предварительного (поджигающего) разряда на водороде при переходе разряда в режим с распылением тяжелых ионов плотность плазмы возрастает от 10 до 3 10" . см, 30 т.е. вклад водорода в поток быстрых ионов достаточно мал. При необходимости для поджига можно использовать другие газы, например гелий.

Подобная установка может использо- 35 ваться помимо имплантации для других технологических целей, например таких, как очистка поверхности или полировка(распыФормула изобретения

Применение ловушки с вращающейся

45 ление микронеровностей), а также для научных исследований.

Существенными преимуществами установки, работающей на описанном выше методе в качестве имплантера, являются высокая скорость обработки материала, до 100 см/с, при оптимальных флюенсах (1-3.1017 ч/см ), что обусловлено тем, что вывод пучка быстрых частиц из плазмы осуществляется в атомарном виде (нет влияния эффектов обьемного заряда на фокусировку пучка), нет никаких ограничений на величину выводимого эквивалентного тока: возможность использования для имплантации любых атомов таблицы элементов (в том числе любые металлы и газы). причем для металлов смена вида атомов производится, «апример, путем передвижения сменных катодов в область разряда. что может быть выполнено беэ нарушения вакуума: возможность легко регулировать энергию быстрых частиц (ионов), изменяя либо напряжение на разряде, либо напряженность магнитного поля; отсутствие. какойлибо фоновой радиации, так как энергия электронов не превышает 200 500 эВ, экологически чистая система; воэможность получения достаточно чистых пучков без использованиякаких-либоустройствдля сепарации пучков за счет того, что в процессе самораспыления участвует лишь один вид атомов и ионов. (56) 1. Ефремов АЛ. и др. Известия ВУЗОВ. Физика %5. (89),326.

2. R.0chsner, А.Kluge. НЯуззе!, Nuclear

Instr. and MethËn Physics Research. В.37/38 (1 989), 504-507. плазмой в качества источника быстрых тяжелых атомов.

2004081

Корректор M.MàêñèìèUjèíåö

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул.Гагарина, 101

Редактор Т,Юрчикова

Заказ 3328

Составитель В.Волосов

Техред M.Moðãåíòàë

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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