ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J27/04 H01J37/08 

Изобретение относится к ионно-плазменной технике и может быть использовано для получения ленточных пучков ионов, применяемых для ионно-лучевого и реактивного ионно-лучевого травления материалов, очистки, активации и полировки поверхности деталей, а также для нанесения пленок в вакууме.

Известны источники ионов для реактивного ионно-лучевого травления и нанесения пленок, формирующие пучки ионов в скрещенных электрических и магнитных полях, каждый из которых включает систему формирования скрещенных электрических и магнитных полей в выходной щели с осевой симметрией, систему подачи рабочего газа, источник электропитания, анод, источник магнитодвижущей силы [1]. Недостатком известных источников ионов является невозможность контроля параметров работы источников в части распыления материалов катодов (ускоряющих электродов) пучков ионов и загрязнение продуктами распыления обрабатываемой поверхности или напыляемой пленки.

Известен также источник ионов, содержащий магнитопроводящий корпус с выходной эмиссионной щелью, служащей катодом, источник магнитодвижущей силы, анод, установленный в полости корпуса симметрично эмиссионной щели, систему подачи рабочего газа и источник электропитания. В ускоряющем промежутке - зазоре между катодом и анодом - создается радиальное магнитное поле. Электроны, совершая замкнутый холловский дрейф в скрещенных электрическом и магнитном полях, ионизируют атомы рабочего газа, в результате чего происходит формирование трубчатого ионного пучка, который, выходя из кольцевой щели, распространяется вдоль оси источника. При этом рабочее давление составляет 2-8 х 10^-2 Па, диапазон энергий ионов 800 - 3000 ЭВ, максимальная плотность пучка менее 10 А/см², плотность зоны обработки около 500 см² [2].

К недостаткам известного источника ионов относятся следующие: при использовании пучка ионов с осевой симметрией затруднительно обрабатывать с заданной равномерностью объекты большой протяженности и площади; при определенных условиях формирования пучка ионов имеет место распыление материала ускоряющих электродов и, как следствие, загрязнение осаждаемых покрытий или обрабатываемых поверхностей; затруднен контроль управления формой и параметрами пучка ионов.

Изобретение направлено на решение задачи создания источника ионов, формирующего напряженный ленточный пучок ионов, позволяющий обрабатывать с заданной равномерностью объекты большой протяженности, а также обеспечивающего возможность контроля формы и параметров пучка ионов за счет снижения распыления электродов-наконечников.

Это достигается тем, что в источнике ионов, содержащем магнитопроводящий корпус с выходной эмиссионной щелью, служащий катодом, источник магнитодвижущей силы, анод, установленный в полости корпуса симметрично эмиссионной щели, систему подачи рабочего газа и источник электропитания в отличие от известного эмиссионная щель образована двумя параллельными прямолинейными участками, замкнутыми на концах криволинейными участками щели, с соотношением их длины L к ширине Δ щели L/Δ > 3, а анод установлен на расстоянии h = (0,2N0,4) Δ от ближайшей к нему поверхности полюсного наконечника магнитопровода.

Анод выполнен с полостью, обращенной в сторону эмиссионной щели, которая может быт прямоугольной формы с максимальной стороной полости d = (1,2N1,5) Δ при Δ < d и h < Δ , либо клинообразной формы, причем угол α , образующий клинообразную полость, может выполняться в диапазоне от 30 до 120^о, при этом Δ≅ d и h < Δ .

Поверхности образующих эмиссионную щель деталей торцовой стенки корпуса изолированы друг от друга и заземлены через приборы, регистрирующие ток.

Выполнение корпуса источника ионов с выходной эмиссионной щелью, образованной двумя параллельными прямолинейными участками, замкнутыми на концах криволинейными участками щели с соотношением длины L прямолинейных участков к ширине Δ щели больше трех, с электрически изолированными друг от друга образующими эмиссионную щель деталями торцовой стенки корпуса, подобранные геометрические размеры при юстировке электромагнитной оптики источника ионов, обеспечивающие оптимальный режим работы источника, позволяют получить ленточный пучок ионов в источнике и обеспечить равномерность обработки деталей большой напряженности, возможность контроля и управления формой и параметрами пучка ионов, исключить распыление материала ускоряющих электродов.

Выполнение анода с различной формой полости, обращенной в сторону эмиссионной щели, улучшает стабильность работы источника ионов за счет обеспечения перпендикулярности электрического и магнитного полей в зазоре в каждой точке ускоряющего анодного слоя.

На фиг. 1, 2 изображена принципиальная схема предлагаемого источника ионов; на фиг. 3, 4, 5 - различные формы анода и взаимное расположение анода относительно внутренней поверхности полюсного наконечника магнитопровода.

Источник ионов содержит магнитопроводящий корпус 1 с торцовыми стенками 2, 3, в торцовой стенке 2 которого, появляющейся одновременно ускоряющим электродом и катодом, выполнена по периметру корпуса выходная эмиссионная щель 4, образованная двумя параллельными участками, замкнутыми на концах криволинейными участками щели с соотношением их длины L к ширине Δ более чем три. В торцовой стенке 3 корпуса выполнен ввод 5 для напуска рабочего газа в источник ионов. Постоянные магниты 6 служат для создания магнитного поля в зазоре щели 4.

В полости корпуса 1 симметрично эмиссионной щели 4 расположен анод 7 на расстоянии h (фиг. 3, 4, 5) величиной порядка (0,2N0,4) Δ от ближайшей к нем внутренней поверхности полюсного наконечника магнитопровода. Анод 7 подключен к положительному полюсу источника электропитания 8, отрицательный полюс источника электропитания соединен с корпусом вакуумной установки (не показана). Обращенная в сторону эмиссионной щели 4 полость анода 7 может быт выполнена прямоугольной формы (фиг. 4), либо клинообразной (фиг. 5) формы. Угол α, образующий полость клинообразной формы, может быт выполнен в диапазоне от 30 до 120^о. Максимальная ширина полости анода d равна (1,2N1,5) Δ , при этом для прямоугольной формы полости анода 7 - Δ < d и h < Δ , а для клинообразной - Δ≅ d и h < Δ.. С помощью изолятора 9 поверхности образующих эмиссионную щель 4 деталей торцовой стенки 2 изолированы друг от друга и заземлены через миллиамперметры 10, регистрирующие ток.

Источник ионов работает следующим образом. После вакуумной откачки источника ионов до давления ≈ 10^-3 Па (на фиг. 1 вакуумная откачка условно не показана) в корпус 1 через ввод 5 в торцовой стенке 3 на- пускается рабочий газ до давления 1 х х10^-1 Па, подается напряжение от источника электропитания 8, в результате чего в эмиссионной щели 4 между анодом 7 и ускоряющими электродами-наконечниками создаются скрещенные электрическое и магнитное поля, происходит ионизация рабочего газа и формируется протяженный ленточный пучок ионов, который, выходя из выходной эмиссионной щели 4, повторяет ее форму и распространяется перпендикулярно плоскости торцовой стенки 2 корпуса 1 источника ионов. При этом миллиамперметры 10 фиксируют минимальный ток ускоряющих электродов-наконечников, характеризующий количество положительных ионов, вызывающих распыление материала электродов.

Исследования показали, что ток пучка ионов увеличивается за счет повышения эффективности ионизации рабочего вещества в ускоряющем промежутке и снижения доли пучка ионов, попадающих на торцовую стенку 2, если анод выполнен с прямоугольной (фиг. 4) или клиновидной (фиг. 5) полостью, обращенной в сторону эмиссионной щели в силу того, что лучше обеспечивается перпендикулярность скрещенных электрического и магнитного полей.

Юстировка электромагнитной оптики источника ионов при этом осуществляется таким образом, что величина тока заряженных частиц, прибывающих на ускоряющие электроды-наконечники магнитодвижущей силы при работе источника, ионов близка к нулю или является отрицательной и характеризует минимум поступления положительных ионов, вызывающих распыление материалов электродов. Если прибор, подключенный к детали, образующей внешнюю поверхность выходной щели, регистрирует ток положительно заряженных частиц, а прибор, подключенный к детали, образующей внутреннюю поверхность выходной щели, регистрирует ток отрицательных частиц, то пучок является расходящимся для данной юстировки источника. Если токи на приборах обратные, то ионный пучок сходящийся. Сходящийся или расходящийся пучок ионов можно получить перемещая торцовые стенки 2 друг относительно друга параллельно плоскости торцовой поверхности анода и контролируя ток ионов, приходящих на торцовые стенки 2, с помощью миллиамперметров 10.

Для ионной обработки объектов большой протяженности был создан источник ионов с ленточным пучком шириной 1400 мм, позволяющий обрабатывать объекты указанной ширины при их перемещении относительно пучка ионов.

При напряжении на аноде от 1 до 3 кВ на разных рабочих газах были получены пучки ионов с токами от 0,5 до 1 А на расстоянии 150 мм от плоскости выходной щели. При этом средняя энергия ионов составляла от 400 до 1500 эВ, скорость травления кварца ≈3 нм/c при использовании рабочего газа СF₄, а неравномерность травления по ширине пучка ионов не превышала ± 5% (при ширине обрабатываемого объекта 1400 мм).

Использование: получение ленточных пучков ионов для ионно-лучевого и реактивного ионно-лучевого травления материалов, очистки активации и полировки поверхностей деталей, а также для нанесения покрытий в вакууме. Сущность изобретения: эмиссионная щель источника ионов с замкнутым дрейфом электронов образована в магнитопроводящем корпусе, служащем катодом, двумя параллельными прямолинейными участками, замкнутыми на концах криволинейными участками щели. Длина L и ширина щели Δ выбраны из условия L/Δ > 3. Анод установлен на расстоянии n=(0,2-0,4)Δ от ближайшей к нему поверхности полюсного наконечника магнитопровода. Анод может быть выполнен с полостью прямоугольной или клиновидной формы, расположенной симметрично напротив эмиссионной щели. Противолежащие полюсные наконечники с элементами магнитопроводящего корпуса могут быть электроизолированы друг от друга и заземлены через приборы, регистрирующие ток. Изобретение позволяет снизить распыление полюсных наконечников и как следствие повысить чистоту покрытий или обрабатываемых поверхностей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ИСТОЧНИК ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий магнитопроводящий корпус, служащий катодом, с полюсными наконечниками, образующими выходную эмиссионную щель, источник магнитодвижущей силы и анод, установленный в полости корпуса симметрично относительно эмиссионной щели, при этом полость корпуса соединена с системой подачи рабочего газа, отличающийся тем, что эмиссионная щель образована двумя параллельными прямоугольными участками, замкнутыми на концах криволинейными участками щели, с соотношением их длины L к ширине Δ, выбранном из условия L/Δ >3, причем анод установлен на расстоянии h = (0,2-0,4)Δ от ближайшей к нему поверхности полюсного наконечника магнитопровода. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен с полостью, симметрично расположенной напротив эмиссионной щели. 3. Источник по п.2, отличающийся тем, что полость выполнена прямоугольной формы, при этом ширина полости d выбрана из условия d = (1,2-1,5)Δ.
4. Источник по п.2, отличающийся тем, что полость выполнена клинообразной формы, при этом угол α при вершине полости выбран в диапазоне 30 - 120^o, а наибольшая ширина полости d выбрана из условия d≥ Δ
5. Источник по п.1, отличающийся тем, что противолежащие полюсные наконечники с элементами магнитопроводящего корпуса электроизолированы друг от друга и заземлены через приборы, регистрирующие ток.