СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ПУЧКА ИОНОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J27/20 

Изобретение относится к способу получения многокомпонентного пучка ионов и может быть использовано в установках ионной имплантации и ионного напыления.

Известен способ получения пучка ионов бомбардировкой мишени сложнокомпозиционного состава ионами газового разряда. При необходимости мишень может быть заменена на новую.

Недостатком данного способа является невозможность получения пучка ионов из химических элементов, несовместимых в твердой фазе, так как невозможно изготовить такую цельносложнокомпозиционную мишень, а использование попеременно несколько мишеней при ионной имплантации приводит к послойному расположению имплантированной примеси в подложке.

Известен способ получения пучка ионов [1] , при котором ионная мишень, имеющая два элемента с поверхностями из распыляемого материала, обращена в сторону плазмы, а элементы мишени электрически смещены так, что ионы из плазмы, ударяясь об их поверхности, одновременно распыляют из них материал.

Недостатками данного способа является отсутствие зависимости между площадями элементов и их расположением на мишени, что не позволяет получить требуемый пучок ионов с заданным процентным содержанием ионов каждого химического соединения, электрическое смещение элементов требует введение дополнительных источников питания, что значительно усложняет способ и конструкцию мишени.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ получения многокомпонентного пучка ионов [2] , при котором мишень, выполненная не менее чем из двух элементов, содержащих материалы, ионы которых необходимо получить, распыляется сфокусированным пучком ионов газа. Образованный поток ионов ускоряется в заданном направлении.

Недостатком данного способа является невозможность формирования из мишени многокомпонентного моноэнергетичного пучка ионов несовместимых в твердой фазе химических соединений, так как невозможно изготовить такую цельную мишень, а использование попеременного распыления нескольких частей мишени позволит лишь получить послойный состав химических соединений несовместимых в твердой фазе.

Цель изобретения - получение многокомпонентного моноэнергетичного пучка ионов несовместимых в твердой фазе химических соединений.

Цель достигается тем, что в известном способе получения многокомпонентного пучка ионов, заключающемся в распылении мишени, выполненной по меньшей мере из двух элементов, содержащих материалы, ионы которых необходимо получить, сфокусированным пучком ионов газа и в ускорении образованного потока ионов в заданном направлении используют распыляемые элементы мишени, содержащие несовместимые в твердой фазе химические элементы, распыляемые элементы мишени располагают относительно сфокусированного пучка ионов газа таким образом, чтобы молекулярная масса химических соединений, из которых выполнены элементы, возрастала в направлении ускорения образованного потока ионов, причем площади распыляемых элементов F₁, F₂, . . . F_n выбирают из условия:
= , где N₁, N₂. . . N_n - заданные процентные содержания в создаваемом пучке ионов химических соединений,
S₁, S₂. . . S_n - коэффициенты ионного распыления материалов, из которых выполнены распыляемые элементы мишени.

Расположение распыляемых элементов мишени относительно сфокусированного пучка ионов газа таким образом, чтобы молекулярная масса химических соединений, из которых выполнены элементы, возрастала в направлении ускорения образованного потока ионов, позволяет получить при распылении элементов мишени моноэнергетический пучок ионов с равномерным содержанием ионов каждого химического соединения по сечению пучка.

Использование обратно пропорциональной зависимости отношения площадей поверхностей распыляемых элементов к отношению коэффициентов их распыления позволяет получить при распылении элементов мишени, пучок с равным процентным содержанием ионов каждого химического соединения.

Использование прямо пропорциональной зависимости отношения площадей поверхностей распыляемых элементов к отношению требуемого процентного содержания ионов каждого химического соединения позволяет получить при распылении элементов мишени, пучок ионов заданного химического состава.

Распыление элементов, образованных из химических соединений несовместимых в твердой фазе, позволяет получить их одновременное нахождение в пучке, что дает возможность образования химического соединения, из соединений несовместимых в твердой фазе, в имплантируемом изделии.

Способ заключается в том, что берут мишень, выполненную не менее, чем из двух элементов, содержащих несовместимые вместе в твердой фазе химические соединения, располагают элементы на мишени относительно сфокусированного пучка ионов газа таким образом, чтобы молекулярная масса химических соединений, из которых выполнены элементы мишени, возрастала в направлении ускорения образованного потока ионов, при этом площади распыляемых элементов F₁, F₂, . . . F_n выбирают из условия
= , где N₁, N₂, . . . N_n - заданные процентные содержания в создаваемом пучке ионов химических соединений;
S₁, S₂. . . S_n - коэффициенты ионного распыления материалов из которых выполнены распыляемые элементы мишени.

Распыляют элементы мишени сфокусированным пучком ионов газа. Поверхность распыляемых элементов, выполненная по вогнутой поверхности, фокусирует на себя пучок ионов газа, при этом происходит одновременное распыление элементов и направляет пучок вторичных ионов к имплантируемому изделию.

На чертеже изображена мишень и схема ее распыления.

Способ реализован распылением мишени, состоящей из двух отдельных кольцевых элементов 1, 2, имеющих вогнутую наружную поверхность, установленных на общий корпус 3 и поджимающихся наконечником 4. Распыление производилось в источнике Пеннинга 5, с экспериментально установленной рабочей площадью распыления равной F = 22 см², плазмой газового разряда рабочего газа азота с энергией 2 кэВ. Решалась задача получения пучка ионов из химических соединений несовместимых вместе в твердой фазе TiB₂ и MoS₂, с 30% содержанием ионов химического соединения TiB₂ и 70% содержанием ионов химического соединения MoS₂, при ионной имплантации и шарикоподшипниковую сталь ШХ-15.

Используя обратно пропорциональную зависимость отношения площадей распыляемых поверхностей отношению коэффициентов их распыления и прямо пропорциональную отношения площадей распыляемых поверхностей к отношению требуемого процентного содержания ионов каждого химического соединения в пучке, составляем пропорцию и определяем площади распыляемых поверхностей
= , где S - коэффициент распыления химического соединения MoS₂ плазмой рабочего газа азота с энергией 2 кэВ;
S = 5,04 - определялся экспериментально;
S - коэффициент распыления химического соединения TiB₂плазмой рабочего газа азота с энергией 2 кэВ;
S= 1,5 - определялся экспериментально;
F - площадь элемента с распыляемой поверхностью химического соединения TiB₂, см²;
F- площадь элемента с распыляемой поверхностью химического соединения MoS₂, см².

Так как площадь распыления F = 22 см², то
F = F - F = 22 - F Решая пропорцию, получаем площадь химического соединения TiB₂. F = 13 см², а площадь химического соединения MoS₂
F = 22-12 = 9 см².

Округленная молекулярная масса химического соединения TiB₂ 70 атомных единиц, а химического соединения MoS₂ 160 атомных единиц.

На корпусе 3 устанавливают элементы мишени таким образом, чтобы молекулярная масса химических соединений, из которых выполнены элементы мишени, возрастала в направлении ускорения образованного потока ионов: элемент 1 из химического соединения MoS₂ площадью 9 см², элемент 2 из химического соединения TiB₂ площадью 13 см ² и поджимают их наконечником 4. (Химические соединения, по отдельности, изготовлены методом порошковой металлургии).

Устанавливают мишень в источник Пеннинга и распыляют ее плазмой газового разряда с энергией 2 кэВ. Сфокусированный поток ионов газа истекает через эмиссионную щель 6. Вогнутая поверхность элементов 1, 2 фокусирует на себя поток ионов газовой плазмы, при этом происходит одновременное распыление элементов, и направляет за срез сопла 7 поток вторичных ионов. При одновременном распылении элементов 1, 2, с заданными площадями, плазмой газового разряда, элемент 2 из химического соединения TiB₂ поставляет в пучок 30% вторичных ионов от их общего количества, а элемент 1 из химического соединения MoS₂ 70% ионов.

Под действием электрического поля ускоряющего электрода пучок вторичных ионов движется к подложке (подложка и ускоряющий электрод не показаны), при этом ионы химического соединения (легкого по молекулярному весу) догоняют и перемешиваются с ионами химического соединения MoS₂, создавая пучок ионов с заданным, равномерным по сечению, содержанием ионов каждого химического соединения.

Применение предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом позволит сформировать многокомпонентный моноэнергетический пучок ионов несовместимых в твердой фазе химических соединений.

Экономический эффект от способа определяется от ресурса работы имплантируемых изделий при имплантации в них пучков заданного химического состава из химических соединений, несовместимых вместе в твердой фазе. (56) Патент США N 3779891, кл. С 23 С 15/00, 1973.

Патент Великобритании N 1600218, кл. С 23 С 15/00, 1981.

Использование: в установках ионной имплантации ионного напыления. Сущность изобретения: для получения многокомпонентного пучка ионов заданного химического состава распыляемые элементы мишени выполнены из химических соединений, несовместимых в твердой фазе. Отношение площадей поверхностей распыляемых материалов выбрано обратно пропорциональным коэффициентам их распыления и прямо пропорциональным требуемому процентному содержанию ионов каждого химического соединения в пучке. Распыляемые элементы мишени располагают относительно сфокусированного пучка ионов газа таким образом, чтобы молекулярная масса химических соединений, из которых выполнены элементы, возрастала в направлении ускорения многокомпонентного потока ионов. 1 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ПУЧКА ИОНОВ, заключающийся в распылении мишени, выполненной по меньшей мере из двух элементов, содержащих материалы, ионы которых необходимо получить сфокусированным пучком ионов газа, и ускорении образованного потока ионов в заданном направлении, отличающийся тем, что используют распыляемые элементы мишени, содержащие несовместимые в твердой фазе химические соединения, при этом распыляемые элементы мишени располагают относительно сфокусированного пучка ионов газа так, чтобы молекулярная масса химических соединений, из которых выполнены элементы, возрастала в направлении ускорения многокомпонентного потока ионов, причем площади распыляемых элементов F₁, F₂, . . . выбирают из условия
F₁/F₂ = N₁/N₂ · S₂/S₁,
где N₁, N₂, . . . N_n - заданные процентные содержания в создаваемом пучке ионов химических соединений;
S₁, S₂, . . . S_n - коэффициенты ионного распыления материалов, из которых выполнены распыляемые элементы мишени.