Способ имплантации частиц в твердое тело

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в любой отрасли для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий. Техническим результатом является снижение энергии иона для улучшения энергетических параметров способа и улучшения качества обрабатываемых поверхностей. В способе имплантации тяжелых атомов в твердое тело тяжелые атомы ускоряют до энергии 0,3-10 кэВ и внедряют в твердое тело при плотности потока не менее 2·10¹⁵ частиц/см²с.

Изобретение относится к технической физике, в частности к способу имплантаци в твердое тело.

Изобретение предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и т.д. и может быть использовано в любой отрасли, в которой требуется внедрение частиц в твердое тело, в том числе и упрочняющих комплексах.

Известен имплантационный метод поверхностной обработки изделий, улучшающий электрофизические, химические и механические свойства поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и т.д., включающий получение ускоренных частиц и их внедрение в твердое тело [1].

В известном способе плазменной ионной имплантации в плазменный объем помещается обрабатываемое изделие, на которое подается отрицательное напряжение для вытягивания ионов из плазмы [2].

Однако известный способ плазменной ионной имплантации обладает рядом недостатков. Погружение изделия в плазму приводит к появлению примеси в плазме в результате ее взаимодействия с поверхностью, доза имплантации зависит от конструкции изделия. Кроме того, затруднена плазменная ионная имплантация в диэлектрические материалы. Помимо этого вызывает особые сложности получение плазмы тяжелых ионов металлов.

Известен способ ионной имплантации, который включает получение ускоренных ионов и их внедрение в твердое тело [3].

Однако известный способ ионной имплантации обладает рядом недостатков.

Полученные одним из известных способов ионы ускоряют в ионно-оптической системе, при этом существует ограничение, связанное с объемным зарядом и массой ионов: I~U^3/2M^1/2, где U, M - энергия и масса ионов.

Увеличение ионного тока за счет увеличения энергии ионов ведет к значительному росту мощности ионного потока P~U^5/2, что соответственно увеличивает потребляемую мощность имплантационных установок, и кроме того приводит к перегреву поверхности твердого тела. Помимо этого, при ионной имплантации диэлектрических материалов требуется принятие специальных мер по нейтрлизации электрического заряда, накапливаемого на поверхности.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков следует отнести другой способ имплантации, в котором тяжелые атомы ускоряют и внедряют в твердое тело в специальном объеме исследовательской установки [4].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании вышеуказанного способа, принятого за прототип, относится отсутствие в известном способе технологических приемов и режимных условий, которые обеспечили бы наиболее высокую производительность в работе и низкие затраты при реализации.

Температурный режим обработки изделия определяет предельную мощность имплантируемого потока ускоренных частиц. Поэтому высокая энергия атомов 40 - 100 кэВ ограничивает плотность внедряемого потока, а следовательно, и снижает производительность.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на повышение производительности и стабильности в работе, а также на улучшение качества имплантируемых потоков, а следовательно, и обрабатываемых поверхностей. Другой задачей является снижение затрат на производство, реализующее вышеуказанный способ, включая эксплуатационные расходы.

В результате решения поставленных задач будет получен следующий технический результат. Энергетические параметры способа имплантации частиц в твердое тело будут существенно улучшены, а энергия ионов существенно снижена, в результате чего повысится производительность и возрастет надежность всех элементов устройства, реализующего предложенный способ. Затраты на его реализацию, в том числе и эксплуатационные, также будут существенно снижены, а качество обрабатываемых поверхностей улучшено.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в предлагаемом способе имплантации тяжелых атомов в твердое тело, включающем получение ускорения тяжелых атомов и их внедрение, тяжелые атомы ускоряют до энергии 0,3 - 10 кэВ и внедряют в твердое тело при плотности потока не менее 2·10¹⁵ частиц/см²с.

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, то есть позволяет осуществлять имплантацию с повышенной производительностью и высокой надежностью всех элементов устройства, реализующего данный способ. Имплантация при низких энергиях частиц приводит к уменьшению распыления поверхности твердого тела, и следовательно, улучшает качество имплантируемого слоя, увеличивая концентрацию внедряемой примеси. Кроме того, низкая энергия частиц позволяет увеличить плотность внедряемого потока, и следовательно, скорость имплантационной обработки при сохранении мощности внедряемого потока и температурного режима обработки твердого тела. Высокая плотность внедряемого потока позволяет улучшить качество имплантируемого поверхностного слоя за счет увеличения его толщины, что объясняется усилением диффузии, в первую очередь радиационно-стимулированной, внедряемых частиц в твердом теле, причем при плотности потока более 2·10¹⁵ частиц/см²с усиление диффузии становится значительным. Удельные затраты при обработке данным способом поверхностей существенно снижены при сравнении с ранее известными решениями.

Все вышеуказанное обуславливает причинно-следственную связь между признаками и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Проведенный заявителем анализ позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и не вытекает из него логически, то есть соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.

Заявленный способ имплантации частиц в твердое тело включает: получение ускоренных тяжелых нейтральных частиц-атомов и их внедрение.

Ускоренные до энергий 0,3 - 10 кэВ тяжелые атомы получают в источнике быстрых атомов, например в источнике быстрых тяжелых атомов на основе магнитной ловушки с вращающейся плазмой [4], в котором отсутствует ограничение на величину атомарного потока по объемному заряду, что существенно в ионной имплантации особенно при невысоких энергиях (0,3 - 10 кэВ) и тяжелых ионов. В зоне транспортировки атомарного потока также отсутствует расплывание потока, связанное с объемным зарядом. Плотность внедряемого потока не менее 2·10¹⁵ частиц/см²с обеспечивает высокое качество имплантируемого поверхностного слоя за счет увеличения его толщины, что объясняется значительным усилением диффузии, в первую очередь радиационно-стимулированной, внедряемых частиц в твердом теле.

Такой подход к задаче имплантации частиц в твердое тело позволяет с большой надежностью и наименьшими затратами осуществить внедрение нейтральных частиц в твердое тело. При этом ограничения, связанные с объемным зарядом, как и транспортировочные проблемы, отпадают, поэтому увеличение интенсивности потока, а следовательно, уменьшение экспозиции не вызывает сомнения.

Предложенный способ позволяет повысить скорость имплантации в несколько раз по сравнению с ранее известными решениями и улучшить качество имплантируемого слоя.

Таким образом, вышеприведенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно, для упрочнения поверхностей и получения свойств, не свойственных свойствам исходного материала; - для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов; - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Литература 1. Плешивцев Н. В. , Семашко Н.Н. // Итоги науки и техники, Сер. Физические основы лазерной и пучковой технологии, М., ВИНИТИ, 1989, т. 5, с. 58 2. Matosian Jn. // Journal of Vacuum Science and Technology, 1994, B. 12 (2), p. 850 - 853 3. Диденко А.Н., Лигачев А.Е., Куракин Н.Б. // Воздействие пучков заряженных частиц, М., Энергоатомиздат, 1987, с. 46.

4. Волосов В.И. // Патент России N 2004088, C1 от 12.05.1991 г.

Формула изобретения

Способ имплантации тяжелых атомов в твердое тело, включающий получение ускоренных тяжелых атомов и их внедрение, отличающийся тем, что тяжелые атомы ускоряют до энергии 0,3-10 кэВ и внедряют в твердое тело при плотности потока не мене 2·10¹⁵ частиц/см²с.