СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ Российский патент 1995 года по МПК H01J27/04 H01J37/08 

Изобретение относится к технике получения пучков ускоренных частиц, в том числе к технологии обработки изделий пучком большого сечения ускоренных частиц в вакууме с целью очистки и нагрева изделий для повышения адгезии наносимых покрытий, с целью упрочнения и модификации поверхности имплантацией ускоренных частиц, а также для полировки поверхности и распыления материалов.

Известен способ получения пучка ускоренных ионов [1] включающий подачу ионообразующего газа через отверстия в аноде и полом катоде, ионизацию газа внутри полого катода и подачу на анод положительного по отношению к эмиссионной сетке ускоряющего напряжения. Недостатком способа является низкая надежность, связанная с пробоями в диэлектрическом изоляционном газопроводе, соединяющем анод с заземленным устройством регулировки газоподачи.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ получения пучка ионов [2] включающий подачу ионообразующего газа в газоразрядную камеру, образованную анодом и выполненном в виде набора отдельных катодных элементов полым катодом, ионизацию газа в газоразрядной камере и подачу на полый катод положительного по отношению к технологической камере и эмиссионной сетке ускоряющего напряжения. Газ в газоразрядную камеру подают через штуцер на задней стенке заземленного корпуса источника ионов, и через зазоры между катодными элементами равномерно заполняют газом протяженный полый катод. Пробои в газопроводе отсутствуют, так как оба его конца заземлены.

Однако при повышении положительного потенциала электродов внутри корпуса свыше нескольких сотен вольт в штуцере газоподачи, где давление на несколько порядков превышает рабочее давление ( ≈ 0,1 Па) внутри газоразрядной камеры, возможно загорание тлеющего разряда с полым катодом, функции которого выполняет штуцер газоподачи, переходящего с ростом тока в дугу с катодными пятнами на корпусе. Пробои между корпусом и электродами газоразрядной камеры внутри него при подаче газа в корпус снижают надежность способа.

Целью изобретения является повышение надежности.

Цель достигается тем, что по способу получения пучка ускоренных частиц в технологической вакуумной камере, включающему подачу ионообразующего газа в газоразрядную камеру источника ионов, ионизацию газа в газоразрядной камере и подачу на один из электродов газоразрядной камеры положительного по отношению к технологической вакуумной камере и эмиссионной сетке ускоряющего напряжения, ионообразующий газ в газоразрядную камеру подают через эмиссионную сетку.

Целесообразно ионообразующий газ в газоразрядную камеру подавать с помощью эжектора непосредственно в створ эмиссионной сетки.

Целесообразно ионообразующий газ в газоразрядную камеру подавать непосредственно из технологической камеры.

При получении пучка быстрых нейтральных молекул целесообразно ионообразующий газ в газоразрядную камеру источника ионов подавать из расположенной между источником ионов и технологической вакуумной камерой камеры перезарядки.

При подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру через эмиссионную сетку давление газа с обеих сторон сетки равны. Это исключает образование зон с повышенным давлением газа, достаточным для электрического пробоя, между корпусом и электродами газоразрядной камеры, на которые подано положительное напряжение, при рабочих давлениях, обычно не превышающих 1 Па, и тем самым повышает надежность.

При подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру из технологической камеры обеспечивается выравнивание давления подаваемого газа вдоль сетки с большой площадью поверхности, а следовательно, и в рабочем объеме газоразрядной камеры.

При расположении между источником ионов и технологической камерой камеры перезарядки и при подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру из камеры перезарядки плотность молекул газа в последней оказывается выше, чем в газоразрядной камере с большей температурой газа и чем в откачиваемой вакуумным насосом технологической камере. Это позволяет трансформировать ионный пучок в пучок быстрых нейтральных молекул при меньшей длине камеры перезарядки.

При подаче ионообразующего газа в газоразрядную камеру через эжектор непосредственно в створ эмиссионной сетки возрастает доля газа, попадающего в газоразрядную камеру. Это повышает газовую эффективность источника ионов.

Фиг. 1 иллюстрирует реализацию способа при подаче ионообразующего газа в разрядную камеру из технологической камеры через эжектор; фиг. 2 иллюстрирует реализацию способа при подаче ионообразующего газа из камеры перезарядки.

Способ осуществляется следующим образом.

Технологическую камеру 1 с установленными на ней камерой 2 перезарядки и/или корпусом 3 источника ионов откачивают до давления 10^-3 Па. Затем подачей газа в камеру 1 или камеру 2 перезарядки через эжектор 4 или непосредственно в камеру 1 или непосредственно в камеру перезарядки равномерно наполняют газоразрядную камеру 5 источника ионов через эмиссионную сетку 6 ионообразующим газом до рабочего давления ≈ 0,1 Па. На электрод газоразрядной камеры 5 подают положительное относительно камеры 1 ускоряющее напряжение от источника 7. Включением источника питания газоразрядной камеры и поджигающего устройства (на фигурах не показаны) ионизуют газ в газоразрядной камере. В результате последняя заполняется однородной плазмой 8. Ионы из плазмы ускоряются в слое 9 положительного объемного заряда между плазмой 8 и эмиссионной сеткой 6 и через отверстия или щели сетки поступают в камеру 1 или в камеру 2 перезарядки, где пучок ионов трансформируется в пучок быстрых нейтральных молекул, а образовавшиеся в результате перезарядки тепловые ионы поступают на стенки камеры и на сетку.

В большинстве случаев на сетку 6 подают от источника 10 напряжение до 100 В отрицательной по отношению к камере 1 полярности, запирающее встречный пучок электронов из плазмы 11, образованной нейтрализацией вторичными электронами объемного заряда ионов в газоразрядную камеру 5. Это повышает КПД источника ионов и предохраняет газоразрядную камеру от нагрева и разрушения.

Пример конкретной реализации способа. В источнике ионов с газоразрядной камерой на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом длиной 30 см, шириной 10 см и глубиной 8 см рабочий диапазон давлений аргона от 0,1 до 0,5 Па. При подаче аргона через заднюю стенку корпуса паразитный разряд в штуцере газоподачи зажигался при давлениях свыше 0,2 Па и положительном напряжении на катоде по отношению к корпусу свыше 700 В. Это ограничивало энергию пучка величиной ≈ 1кэВ и ток пучка величиной 70 мА, так как при низких давлениях ток разряда уменьшается с понижением давления. При подаче газа через эжектор в створ сетки из технологической камеры пробоев между электродами газоразрядной камеры и корпусом не наблюдалось во всем рабочем диапазоне давлений и во всем диапазоне ускоряющего напряжения до 10 кВ. В результате энергия пучка увеличивалась в 10 раз, а ток пучка возрос до 300 мА при давлении аргона 0,5 Па.

Вторым примером конкретной реализации способа является получение в цилиндрической технологической вакуумной камере диаметром 700 мм пучка с током до 600 мА и энергией до 5 кэВ ускоренных частиц, эмиттированных цилиндрической эмиссионной сеткой диаметром и высотой по 200 мм источника ионов, установленного в центре камеры коаксиально с последней. Источник формирует однородный азимутально и по высоте пучок радиально расходящихся ускоренных частиц, бомбардирующих расположенные вокруг источника подложки. Ионообразующий газ поступает в газоразрядную камеру из технологической камеры через эмиссионную сетку площадью около 1250 см² и с прозрачностью 80% При травлении подложек ионами аргона происходит нейтрализация ионов на поверхности подложек и стенок камеры и десорбция нейтральных молекул аргона, которые могут вторично поступать в газоразрядную камеру, ионизироваться в ней и после ускорения в слое между плазмой и сеткой вылететь через последнюю в составе ионного пучка. Таким образом, ионообразующий газ используется многократно, что позволяет даже при больших токах пучка использовать вакуумные откачки системы малой производительности. Для очистки газа в камере от образующихся при травлении подложек примесей ионообразующий газ непрерывно подается в технологическую камеру с одной стороны и откачивается с другой. Указанный источник ионов работает и при давлениях в технологической камере 10^-2 Па, что позволяет использовать предлагаемый способ при обработке ионами газов изделий микроэлектроники.

Таким образом, предлагаемый способ отличается высокой надежностью, позволяет расширить рабочий диапазон давлений газа, повысить энергию и ток пучка, а также сократить длину камеры перезарядки источника быстрых нейтральных молекул.

Использование: в способе получения пучков ускоренных частиц в технологической вакуумной камере, обеспечивающих очистку и нагрев изделий, повышение адгезии наносимых распылением покрытий, упрочение и модификацию поверхности изделий, а также полировку поверхности и распыление материалов. Сущность изобретения: способ предусматривает ионизацию газа в газоразрядной камере источников ионов и подачу на один из электродов камеры положительного по отношению к потенциалу технологической камеры и эмиссионной сетки ускоряющего напряжения. Ионообразующий газ в газоразрядную камеру подают через эмиссионную сетку с помощью эжектора или непосредственно из технологической вакуумной камеры, или из камеры перезарядки, расположенной между источником ионов и технологической вакуумной камерой. Это исключает образование зон с давлением, повышенным по отношению к рабочему давлению газа, достаточным для электрического пробоя, что в свою очередь повышает производительность и надежность работы установки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ, включающий подачу ионообразующего газа в газоразрядную камеру источника ионов, ионизацию газа в газоразрядной камере и подачу на один из ее электродов положительного по отношению к потенциалу технологической вакуумной камеры и эмиссионной сетке источника ионов ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают в газоразрядную камеру источника ионов через его эмиссионную сетку. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают с помощью эжектора в створ эмиссионной сетки. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают из полости технологической вакуумной камеры. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ионообразующий газ подают из камеры перезарядки, расположенной между источником ионов и технологической вакуумной камерой.