СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА ПУЧКА ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ Российский патент 1998 года по МПК G21K1/14 H01J27/00 

Изобретение относится к методам получения нейтрализованных пучков заряженных частиц, их формирования, транспортировки и сепарации и может быть использовано в ионно-пучковых технологиях для ионной имплантации, обработки и модификации поверхностей, нанесения покрытий, для разделения изотопов, нагрева плазмы в ловушках для управляемого термоядерного синтеза и др.

Пространственный заряд ионных пучков создает внутри пучков расталкивающие силы, дефокусирующие их, препятствующие транспортировке, фокусировке и управлению пучками с высоким первеансом p (p=I/U^3/2, где I - ток пучка, а U - ускоряющее напряжение). Практически использование ионных пучков с высоким первеансом возможно только при нейтрализации их пространственного заряда. Нейтрализацию осуществляют, вводя в пучок положительных ионов свободные электроны таким образом, чтобы пространственный положительный заряд положительных ионов был нейтрализован пространственным отрицательным зарядом свободных электронов.

Известно, что формирование пучков положительных ионов, как правило, сопровождается образованием свободных электронов. Так, ионные пучки, обладающие сравнительно высокой энергией (выше порога ионизации остаточного газа), ионизируют остаточный газ, обеспечивая тем самым образование в нейтрализуемом пучке свободных электронов со скоростью, достаточной, чтобы пространственный суммарный положительный заряд положительных ионов такого пучка был нейтрализован суммарным отрицательным зарядом свободных электронов. Для нейтрализации пространственного положительного заряда ионных пучков, обладающих более низкой энергией, в пучок направляют поток электронов от внешнего источника электронов, например термоэмиттера или газоразрядного источника электронов.

Известен, например, способ нейтрализации пространственного заряда пучка положительных ионов путем доставки свободных электронов от эмиттера в нейтрализуемый пучок по плазменному мосту [Патенты США NN 3523210 и 3515932]. Этот способ не обеспечивает устойчивой нейтрализации пучка с низкой энергией ионов. В нейтрализованном пучке развиваются неустойчивости, нарушающие нейтрализацию и фокусировку, а также направленную его транспортировку.

Известен также способ получения нейтрализованного пучка положительных ионов с эмиссией сопутствующих свободных электронов вместе с пучком положительных ионов из газоразрядного ионного источника пучка положительных ионов, а также доставкой свободных электронов по другому нейтрализованному ионному пучку, пересекающему нейтрализуемый пучок [Патент США N 4419203]. Этот способ нейтрализации пространственного заряда пучка положительных ионов принят за прототип изобретения. Описанный способ также не обеспечивает стабильный нейтрализации, транспортировки и сепарации интенсивных пучков положительных ионов с низкой энергией. Из-за малой массы свободных электронов, время их жизни в нейтрализуемом пучке положительных ионов мало, поэтому для поддержания высокого уровня нейтрализации требуется их интенсивная генерация. Порог возникновения неустойчивостей, нарушающих нейтрализацию, транспортировку и сепарацию пучков положительных ионов, сравнительно низок и существенно ограничивает интенсивность пучков с высоким первеансом при таких низких энергиях. Случайные флуктуации тока источника пучка положительных ионов в сторону снижения его величины вызывают уменьшение пространственного заряда нейтрализуемого пучка и потерь при этом части нейтрализующих свободных электронов вследствие их малой массы. После восстановления величины тока источника положительных ионов плотность отрицательного заряда свободных электронов восстанавливается с запаздыванием относительно восстановления плотности положительных ионов, что нарушает нейтрализацию и транспортировку или сепарацию пучка. Управление таким пучком с помощью магнитного поля при его транспортировке и сепарации затруднено, так как перпендикулярное магнитное поле препятствует проникновению электронов в пучок от эмиттера электронов, находящегося вне поля.

Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения устойчивой нейтрализации пространственного заряда интенсивных пучков положительных ионов низких энергий с высоким первеансом и обеспечения эффективной транспортировки и сепарации ионных пучков.

Поставленная задача решается тем, что в нейтрализуемый пучок положительных ионов наряду со свободными электронами вводят электроотрицательные молекулы или атомы, имеющие высокое сродство к электрону и большие сечения образования отрицательных ионов при столкновениях с электронными. Величины потоков вводимых в нейтрализуемый пучок электронов и названных электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда положительных ионов по крайней мере не превышала плотности отрицательного заряда присутствующих в нейтрализуемом пучке свободных электронов и образованных отрицательных ионов.

Введение в нейтрализуемый пучок положительных ионов потока свободных электронов может быть происходить при формировании пучка положительных ионов вследствие ионизации нейтрализуемым пучком остаточного газа с образованием свободных электронов. Если интенсивность такого потока недостаточна, к нему добавляют поток свободных электронов от дополнительного источника, например, эмиттера.

Введение в нейтрализуемый пучок электроотрицательных молекул или атомов, обладающих высоким сродством к электрону, осуществляют путем добавления в него потока любого электроотрицательного газа, например, CF₄, CHF₃, BF₅, SF₆, MoF₆, SiF₄, ScF₆, и др. Молекулы или атомы электроотрицательного газа в результате столкновений со свободными электронами и поверхность, при бомбардировке поверхностей частицами пучка или плазмы получают отрицательный заряд и образуют отрицательные ионы. При этом происходит замещение в пучке свободных электронов, обладающих малой массой на отрицательные ионы, обладающие значительно большей массой. Большая масса частиц, несущих отрицательный нейтрализующий заряд, сопоставимая с массой положительных ионов, увеличивает время жизни отрицательных частиц в нейтрализуемом пучке, что повышает порог возникновения неустойчивостей, нарушающих нейтрализацию, транспортировку и сепарацию пучка положительных ионов. Снижается необходимая для устойчивой нейтрализации пучка скорость генерации нейтрализующих частиц. Полной нейтрализации пучка положительных ионов достигают в том случае, когда плотность положительного заряда пучка и медленных положительных ионов равна плотности отрицательного заряда пучка, который в совокупности создают свободные электроны и отрицательные ионы. Поэтому существенным требованием в решении поставленной задачи является то, что плотность положительного заряда нейтрализованного пучка не превышала плотность отрицательного заряда этого пучка. Этого добиваются регулированием величин потоков свободных электронов и электроотрицательного газа. Регулирование величины потоков можно производить, например, по расходимости пучка. Расходимость при этом должна быть минимальной. Устойчивая нейтрализация пространственного заряда пучков положительных ионов без активной генерации электронов дополнительным источником обеспечивается при плотности электроотрицательного газа, соответствующей давлению 5 • 10^-5 - 2 • 10^-4 Торр. При этих давлениях не возникает ощутимых потерь при транспортировке нейтрализованного пучка на расстояние порядка 10² см.

Улучшение условий для транспортировки и сепарации нейтрализованного пучка делает прием перекомпенсации положительного заряда отрицательным. Для этого величины потоков свободных электронов и электроотрицательного газа увеличивают относительно величин, необходимых для нейтрализации пространственного заряда пучка. В этом случае в любых сечениях нейтрализуемого пучка плотность отрицательного заряда свободных электронов и отрицательных ионов превышает плотность положительного заряда положительных ионов. Такой пучок, называемый перекомпенсированным, хорошо транспортируется без потерь на большие расстояния, облегчается его сепарация, например, при разделении изотопов или ионной имплантации.

Таким образом, изложенный способ нейтрализации пространственного заряда пучка положительных ионов обеспечивает устойчивую нейтрализацию и при этом одновременно облегчает управление нейтрализованными пучками при их транспортировке и сепарации.

Пример 1. Способ осуществляют на установке для ионной имплантации Везувий 8M, которая предназначена для имплантации больших доз легирующих элементов в полупроводниковые структуры. Установка (схема ее приведена на чертеже) включает вакуумную систему 1, ионный источник 2, систему формирования типа ускорение-замедление 3, магнитный анализатор 4, систему магнитного отклонения пучка 5, вращающееся барабанное приемное устройство для равномерного облучения пластин 6, систему диагностики пучка 7, цилиндра Фарадея для измерения тока пучка 8, баллон с электроотрицатальным газом 9, редуктор 10, манометры 11, соединительные трубки 12, 14, регулируемые натекатели 13.

Пучок положительных ионов бора (B⁺), продуцируемый источником 2, с током до 5 мА, пропускают через систему формирования 3, поддерживая в ней вытягивающее напряжение 15 кВ. При указанном уровне вытягивающего напряжения происходит ионизация остаточного газа пучком положительных ионов с образованием свободных электронов. При меньших энергиях скорость ионизации и повышения интенсивности из баллона с электроотрицательным газом 9 подают газ CF₄. Подачу газа регулируют, контролируя величину расхождения нейтрализованного пучка на барабанном устройстве 6 по его поперечному размеру. Этот размер на барабане должен быть минимальным. Полученный таким образом оптимальный поток электроотрицательного газа имеет плотность, соответствующую давлению 2 • 10^-4 Торр в области после системы формирования 3, либо 0,9 • 10^-4 Торр в области после магнитного анализатора 4.

При кратковременном уменьшении тока в источнике пучка положительных ионов не наблюдается нарушения нейтрализации пространственного заряда пучка положительных ионов, а также обеспечивается устойчивая транспортировка нейтрализованного пучка на барабанное устройство 6.

Пример 2. Нейтрализацию пучка осуществляют в основном аналогично примеру 1. Установка для нейтрализации дополнительно включает сетчатый экран 15 и термокатод 16, являющийся эмиттером электронов. К термокатоду прикладывают отрицательный потенциал относительно сетчатого экрана. Электроны вытягиваются из катода этой разностью потенциалов, образуют поток электронов, ионизирующий окружающий газ и увеличивают скорость образования отрицательных ионов из электроотрицательных молекул. Нейтрализация пучка имеет устойчивый характер.

Использование: для получения нейтрализованных пучков заряженных частиц, их формирования, транспортировки и сепарации, в ионно-пучковых технологиях для ионной имплантации, обработки и модификации поверхностей, нанесения покрытий, для разделения изотопов и нагрева плазмы в ловушках для управляемого термоядерного синтеза. Сущность изобретения: для нейтрализации пространственного заряда пучка положительных ионов в него вводят свободные электроны и электроотрицательные молекулы или атомы, обладающие высоким сродством к электрону и большими сечениями образования отрицательных ионов при столкновении со свободными электронами. Потоки свободных электронов и электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда пучка по крайней мере не превышала плотности его отрицательного заряда, присутствующих в нем электронов и образованных отрицательных ионов. Способ обеспечивает стабильную устойчивую нейтрализацию заряда пучков с высоким первеансом, их транспортировку и сепарацию. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ нейтрализации пространственного заряда пучка положительных ионов, включающий введение в нейтрализуемый пучок свободных электронов, отличающийся тем, что дополнительно в нейтрализуемый пучок вводят электроотрицательные молекулы или атомы, имеющие высокое сродство к электрону и большие сечения образования отрицательных ионов в столкновениях с электронами, причем величины потоков вводимых в нейтрализуемый пучок свободных электронов и электроотрицательным молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда положительных ионов нейтрализуемого пучка была по крайней мере не выше плотности отрицательного заряда присутствующих в нейтрализуемом пучке свободных электронов и образованных отрицательных ионов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свободные электроны вводят в нейтрализуемый пучок положительных ионов путем образования потока свободных первичных электронов при формировании нейтрализуемого пучка положительных ионов посредством ионизации этим пучком остаточного газа. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что к потоку свободных электронов, образованному при формировании нейтрализуемого пучка положительных ионов, добавляют поток свободных электронов от дополнительного источника электронов. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину плотности отрицательного заряда присутствующих в нейтрализуемом пучке свободных электронов и образованных отрицательных ионов поддерживают выше величины плотности положительного заряда положительных ионов нейтрализуемого пучка.