Пристрій для обробки підложек іонами вуглецю

п С УС:'У v ;• ^ л *» ,\ • ЯЄЛЫОВАНИЯ ОКОUhfc U Ч S/ ЯСОЮЗ COBFTCKMX СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК (I!) (51)5 Н 01 J 27/08 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗОБРЕТЕНШ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (21)4670442/25 (22)31.03.89 (72) В.М Пузиков и А.В.Семенов (53)533.9.07(088.8) (56) Kaufman H.R. et ail I. Vac Scien. Technol, 1982, v 21, p725 Габович М.Д. Плазменные источники ионов, ЬА.: Энергоатомиздат, 1978, с.85. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОДЛОЖЕК ИОНАМИ УГЛЕРОДА (57) Изобретение относится к ионно-вакуумной обработке материалов Цель-повысить эффективность технологического оборудования. Устройство содержит подложкодержатель и источник ионов дуоплазматронного типа, размещенные в вакууме, дополнительный электрод с апертурой, установленный на оптической оси ионного пучка на расстоянии, равном 0,60,7 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 истока ионов такой же энергии, обусловленная законом "3/2". 2 ил. С Изобретение относится к плазменным источникам ионов и может быть использовано в ионно лучевой технологии, связанной с использованием потока ионов низкой энергии с достаточно высокими плотностью и величиной тока Известно устройство для ионной обработки (1), содержащее держатель обьекта, 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-за низкой плотности плазмы на границе отбора ионов из нее Недостатком такого источника является неравномерность распределения плотности ионного тока по сечению пучка. 38-91 Наиболее близким по технической сущности является устройство для ионной обработки материалов (2), содержащее подложкодержзтель, источник ионов дугоплазматронного типа с термокатодом, анодом, магнитной системой с аксиальным магнитным полем, электродом экспандером, извлекающим электродом и промежуточным анодом, в полости которого установлен графитовый тигель. Его недостатком является малость извлекаемых ионных токов при низких 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 0,6-0,7 расстояния между последним и подложкодержателем установ 00 ел 1685210 тельный электрод, располагают ближе к подложке, находящейся также под потенциалом земли. Достаточная величина смещечия для этой цели - (0,6-0,7) расстояния 5 между извлекающим электродом и подложкой. При расстоянии, большем 0,7, появляются трудности, связанные с транспортировкой первичного пучка в область перезарядки. 10 Благодаря тому, что отбор ионов происходит с площади сечения пучка в области дополнительного электрода, поток ионов, поступающий на подложку, является однородным на большей площади, «ем первич15 ный пучок без перезарядки. Таким образом, за счет перезарядки пучка ионов с повышенной энергией (70100 зВ) в потоке собственных нейтральных атомов, формируется интенсивный поток 20 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 25 энергией, полученных в результате перезарядки первичных ионов с энергией 100 эй, A^ + AS^Ag+AJ", то интенсивность потока вторичных ионов в результате чего образуется медленный оказывается больше примерно на порядок ион и быстрый атом. Сечение резонансной величин* перезарядки является максимальным при 30 На фиг.1 схематично изображено предравенстве энергии ионов и атомов, это услолагаемое устройство; на фиг.2 - график завие легко обеспечивается подачей соответвисимости тока первичных и вторичных ствующего потенциала на дополнительный ионов на подложку от потенциала дополниэлектрод. тельного электрода, приведенного к потенПри этом экспериментально наблюда35 циалу извлекающего электрода, где кривая ется увеличение в 1,5-2 раза величины тока 20 - ток вторичных ионов, кривая 21 - первторичных ионов по сравнению с током первичных ионсв измерения проводились при вичных, которое можно объяснить усиленивытягивающем напряжении 150 В. ем ионизации атомов электронным ударом Как видно V3 кривых, при небольших (при ^низких энергиях сечение ионизации 40 величинах напряжения на дополнительном электронным ударом, как известно, максиэлектроде (идоп) относительно анодного намально). Источником ускоренных электропряжения (U3H) пучок содержит две компонов является сам пучок ионов ненты - ток первичных ионов и вторичных. Кроме того, энергия образованных втоПри приближении Удоп к 1>ан ток перричных ионов рабочего вещества определя45 вичных ионов уменьшается, а вторичных ется разностью потенциалов области растет, достигая максимума при Uflon=UaHперезарядки и подложки и может быть преПри этом ток первичных ионов практически дельном малой. При этом, так как процесс нулевой. образования вторичных ионов происходит Предлагаемое устройство содержит вблизи подложки, исключается необходи50 анод 1, являющийся магнитным полюсом, мость в решении проблемы транспортировизготовленный из магнитомягкого железа в ки интенсивного потока ионов. вмдє цилиндра. В прямоугольный паз в ценТак как вторичные ионы в области петре анода вставлен электрод-экспандер 2, резарядки имеют начальную энергию, близвыполненными в виде призмы из тантала со кую к тепловой, они начинают движение в 55 щелью на боковом ребре размером 0,8x40 '. сторону большего градиента электрическомм2. Двугранным угол полости расширения го поля. Для того, чтобы предотвратить двиплазмы 120°. Промежуточный анод 3, являжение ионов в сторону извлекающего ющийся внутренним р^агнитопроводом, изэлектрода, находящегося под потенциалом готовлен из магнитомягкого железа и земли, область перезарядки, т.е. дополни1 заканчивается магнитным полюсом, имею лен дополнительный электрод, злектриче ски соединенный с анодом. С помощью дополнительного электрода производится изменение распределений потенциала на оси источника и тем самым управление энергией ионов 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 16 см поток нейтральной к о м п о н е н т ы может составлять 1О 1 5 -1О 1 7 с м ' 2 в зависимости от режима работы источника Вследствие этого в результате взаимодействия ускоренных в пучке ионов с медленными нейтральными атомами происходит резонансная перезарядка ионов 1605210 щим прямоугольный паз 25x80 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 пол» 5 на промежуточный анод 3 надет соленоид 5 с внешним магнитол ро во дом 6. В полости 7 промежуточного анода 3, имеющей прямоугольное сечение, установлен графитовый тигель 8, являющийся источником рабочего 10 пара и имеющий щелевидный канал 9 сечением 3x40 мм , систему экранов 10 из молибдена и тантала, и молибденовый корпус 11. В полость тигля помещен термокатод 12 из танталовой проволоки диаметром 0,8 15 мм, который через изоляторы 13 укреплен в корпусе и соединен с токовводом 14. В корпусе 15 расположен фланец 16для дополнительной откачки источника в процессе работы, что позволяет свести газовы- 20 деление в вакуумную систему до минимума. Устройство снабжено извлекающим электродом 17, дополнительным электродом 18 и подложкодержателем 19. Дополнительный электрод 18 располо- 25 жен на расстоянии (0,6-0,7) расстояния Между извлекающим электродом 17 и подложкодержателем 19 и представляет собой две однопотенциэльные прямоугольные пластины шириной 1,5 ширины пучка и дли- 30 ной 0,1 расстояния между извлекающим электродом 17 и подложкодержателем 19. Работа источника на примере получения ионов углерода происходит следующим образом. 35 Нагрев графитового тигля 8 до температуры, обеспечивающей давление его пара, необходимое для поджигания и горения дуги (10 -10"2 мм рт.ст.) осуществляется изнутри тигля 8 в два этапа: вначале нагрев 40 графита выполняется термоэмиссионным электронным током путём разогрева термокатода 12 и прикладывания напряжения между катодом 12 и тиглем 8. На катод подается напряжение через токоавод 14, уста- 45 новленный на изоляторах 13. Тигель 8 теплоизолирован от водоохлаждаемого промежуточного анода 3 тепловыми экранами 10. Охлаждение водой осуществляется через каналы 4. После достижения давления 50 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 55 в канале 9 между катодом 12 и анодом 1 и газовый разряд выходит нэ обычный для него режим работы. Неоднородное магнитное поле в области экспандера 2 создается катушкой 5, во внешней цепи магнитное поле замыкается магнитопроводом 6. После выхода на режим источника ионов и вытягивания первичного пучка ионов на дополнительный электрод 18 подается потенциал, равный потенциалу анода, 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 следующие режимы. Ток накала катода 45 А, ток и напряжение промежуточного и анодного разрядов 22, 90 и 5 А и 100 В, соответственно магнитное поле в щели экспандера составляло 700 э. Извлекающая разность потенциалов 60 В, подложкодержатель 19 находился под потенциалом земли. Благодаря тому, что дополнительный электрод 18 расположен на расстоянии 80 гам от подложки, транспортировка ионов 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 ионов в связи с отсутствием фокусирующих элементов при формировании потока ионов. Формула изобретения Устройство для обработки подложек ионами углерода, содержащее электродпод лож к о держатель с обрабатываемой подложкой и источник ионов дугоплазматронного типа с термокатодом, анодом, промежуточным анодом с полостью, в которой расположен графитовый тигель, электродом-экспандером и извлекающим электродом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности обработки за счет снижения энергозатрат на создание интенсивного пучка ионов углерода при низких энергиях извлекаемых ионов, за извлекающим эктродом со смещением вдоль оси симметрии источника ионов, равным (0,6-0,7) расстояния от последнего до поверхности подложки, установлен дополнительный электрод» электрически связанный с анодом. 1685210 15 Фиг 1 I, mA 80 60 ЦО 20 0,5 фиг. г Релактор М Васильева Составитель А Латай Техред М Моргентал Корректор М. Демчик Заказ 3863/ДСП Тирэж Подписное ВНИИПИ f огудзрсівемноіо комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 1 ПО Я Москва, Ж-35. Раушская наб , 4/5 Производсгв«нчо шдіг*иігіьский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,