УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПЛАНТАЦИИ ИОНОВ Российский патент 1998 года по МПК H01J37/317 C23C14/48 

Изобретение относится к устройствам получения интенсивных ионных пучков и может быть использовано в низкоэнергетичных установках имплантационной металлургии для увеличения глубины имплантации ионов.

Известны установки промышленного ионного легирования класса ИЛУ, конструкция которых для повышения энергии ионов выполнена с двойной и тройной системами ускорения, позволяющими получать энергию однозарядных ионов до 100 кэВ.

Недостаток этих установок: большие габариты, сложность генерации пучков ионов, высокая стоимость.

Известна установка для имплантации ионов повышенной энергии Везувий 9, в конструкции которой для повышения энергии ионов используются источник многозарядных ионов и система с последующим двойным ускорением пучка ионов.

Недостаток этой установки: сложность конструкции, высокая стоимость, малые токи пучка ионов, снижение интенсивности пучка с повышением многозарядности ионов.

Кроме того, недостатком выше названных установок является еще и то, что в промежутке следования пучка ионов к облучаемой детали происходят различного вида упругие и неупругие столкновения частиц пучка между собой и с атомами остаточного газа. При этом происходят разнообразные процессы: нейтрализация, ионизация, рассеяние, а значит, теряется энергия пучка ионов, приводящая к уменьшению глубины проникновения ионов в облучаемый материал.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству для имплантации ионов является выбранная в качестве прототипа установка ионной имплантации УИИ-1, содержащая вакуумную камеру с установленным в ней плазменным источником ионов Пенинга, представляющим собой газоразрядную камеру, образованную анодом и холодным полым катодом с кольцевой щелью, с мишенью, являющейся вытягивающим электродом, систему питания анода и мишени, высоковольтный управляющий выпрямитель, высоковольтный электрод с размещаемыми на нем образцами для ионной имплантации.

Установка работает следующим образом.

Образцы помещаются на высоковольтный электрод и камера вакуумируется до остаточного давления 10^-5 мм рт. ст. При давлении 10^-2 - 10^-3 мм рт. ст. в атмосфере реакционного газа и напряжении 1 - 2 кВ на аноде в тороидальной газоразрядной камере поджигается тлеющий разряд, который вытягивается через кольцевую щель катода отрицательным потенциалом мишени и распыляет последнюю. За счет вторичной ионной эмиссии формируется поток ионов из материала мишени.

При подаче высокого статического потенциала до 50 кВ на высоковольтный электрод поток ионов, находящийся в источнике ионов, попадая под действие электростатического поля ускоряющего промежутка, ускоряется им и имплантируется в образцы, находящиеся на высоковольтном электроде.

В области дрейфа пучка ионов (между источником ионов и высоковольтным электродом) происходят различного вида упругие и неупругие столкновения частиц пучка между собой и с атомами остаточного газа, сопровождающиеся процессами нейтрализации, ионизации, рассеяния, приводящие к снижению энергии пучка ионов. Кроме того, после имплантации ионов в образец из высоковольтного электрода вылетают вторичные электроны, которые устремляются против движения пучка ионов, усиливая нейтрализацию ионного пучка и создавая объемный экранирующий заряд на высоковольтном электроде, что значительно снижает первоначальную энергию пучка ионов, а значит, и уменьшает глубину внедрения ионов в образцы.

Задачей изобретения является устройство для имплантации ионов, обеспечивающее увеличение глубины внедрения ионов в облучаемую поверхность при стационарном пучке ионов.

Поставленная цель решается тем, что в известном устройстве для имплантации ионов выходы системы питания анода и высоковольтного управляющего выпрямителя снабжены интегрирующими блоками, отношение постоянных времени которых находится в диапазоне от двух до трех, определяемое в зависимости от расстояния между источником ионов и высоковольтным электродом (протяженности ускоряющего промежутка) и диаметра высоковольтного электрода из соотношения
,
где
n - отношение постоянной времени интегрирующего блока системы питания анода к постоянной времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя;
t_а - постоянная времени интегрирующего блока системы питания анода;
t_b - постоянная времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя;
l - расстояние от центра анода до границы извлечения плазмы из источника ионов;
L - расстояние от источника ионов до высоковольтного электрода;
d - диаметр отверстия на границе извлечения плазмы из источника ионов:
D - диаметр высоковольтного электрода.

При этом частота следования сформированных пульсаций пучка ионов составляет ≈ 100 Гц.

1. Установка на выходе высоковольтного управляющего выпрямителя и системы питания анода интегрирующих блоков позволит создать низкочастотную раскачку ионного пучка при имплантации ионов в обрабатываемую поверхность.

2. Использование временного соотношения позволит создать пульсацию ионного пучка и ослабить экранирующий эффект скапливающегося около высоковольтного электрода объемного заряда при стационарном пучке ионов.

Заявляемое устройство позволит, ведя имплантацию с низкочастотной пульсацией пучка ионов, поднять энергию внедряемых ионов при постоянном ускоряющем напряжении на высоковольтном электроде, увеличив глубину проникновения ионов в обрабатываемый материал.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Используя параметры источника ионов, диаметр высоковольтного электрода и расстояние от источника ионов до высоковольтного электрода, определяют превышение постоянной времени интегрирующего блока системы питания анода над постоянной времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя из соотношения
.

По найденному значению n при условии 2 ≤ n ≤ 3 производят подбор параметров элементов интегрирующих блоков (RC-цепочек). Выходы системы питания анода и высоковольтного управляющего выпрямителя снабжают интегрирующими блоками.

На фиг. 1 представлена конструкция устройства для ионной имплантации, где показаны вакуумная камера 1, источник ионов Пенинга 2, холодный полый катод 3, кольцевая щель 4, анод 5, мишень 6, высоковольтный электрод 7, система питания анода 8, интегрирующий блок 9 системы питания анода, система питания мишени 10, высоковольтный управляющий выпрямитель 11, интегрирующий блок 12 высоковольтного выпрямителя, облучаемый образец 13, изолятор 14.

В вакуумной камере 1 размещен источник ионов Пенинга 2, представляющий собой тороидальную газоразрядную камеру, образованную холодным полым катодом 3 с кольцевой щелью 4 и анодом 5, с мишенью 6, и высоковольтный электрод 7 с образцом 13 для облучения, отделенный от вакуумной камеры изолятором 14.

Используя геометрические параметры источника ионов 2, диаметр высоковольтного электрода 7 и расстояние от источника ионов 2 до высоковольтного электрода 7, определяют превышение постоянной времени интегрирующего блока 9 системы питания анода 8 над постоянной времени интегрирующего блока 12 высоковольтного управляющего выпрямителя 11 из соотношения

По найденному значению произведен подбор параметров элементов интегрирующих блоков 9, 12. Для интегрирующего блока 12 высоковольтного управляющего выпрямителя 11 R₂ = 40 кОм, C₂ = 0,025 мкФ. Для интегрирующего блока 9 системы питания анода 8 R₁ = 48 Ом (реостатное сопротивление), C₁ = 50 мкФ. Выходы системы питания анода и высоковольтного управляющего выпрямителя снабжены интегрирующими блоками.

Устройство для ионной имплантации работает следующим образом.

Образец 13 помещается на высоковольтный электрод 7 и камера 1 вакуумируется до остаточного давления 10^-5 мм рт. ст. При давлении 10^-4 мм рт. ст. в атмосфере реакционного газа и напряжении 0,6 кВ на аноде 5 в тороидальной газоразрядной камере поджигается тлеющий разряд, который вытягивается через кольцевую щель 4 катода 3 отрицательным потенциалом 0 - 5 кВ мишени 6 и распыляет последнюю. За счет вторичной ионной эмиссии формируется поток ионов из материала мишени 6. При подаче высокого статического потенциала 30 кВ на высоковольтный электрод 7 поток ионов, находящийся в источнике ионов, ускоряется полем высоковольтного электрода 7 и имплантируется в образец 13. Применение интегрирующего блока 12 на выходе высоковольтного выпрямителя 11 (R₂ = 40 кОм; C₂ = 0,025 мкФ) и интегрирующего блока 9 на выходе системы питания анода 8 (R₁ = 48 Ом; C₁ = 50 мкФ) при условии, что постоянная времени интегрирующего блока 9 системы питания анода 8 в 2,4 раза выше, чем у интегрирующего блока 12 высоковольтного управляющего выпрямителя 11, позволило создать при частоте 100 Гц пульсацию ионного пучка и ослабить экранирующий эффект скапливающегося около высоковольтного электрода 7 объемного заряда при стационарном пучке ионов.

При работе в пульсирующем режиме в ускоряющем промежутке появлялись пульсации, превосходящие подведенный к высоковольтному электроду 7 потенциал в 2,5 - 4,5 раза, а именно: за тактовый интервал мы получали две гармоники - два пика с превышением 2,5 - 2,6 раза и один в 4 - 4,5 раза по отношению к подведенному высоковольтному потенциалу. В пучке ионов появились ионы с энергией, в 2,5 - 4,5 раза превышающей подведенную, что позволило увеличить глубину имплантации ионов.

На фиг. 2, 3 изображены кривые распределения имплантированной примеси в поверхности твердого сплава Т15К6 при облучении его пучком ионов Al + N₂ в пульсирующем режиме, при подаче на высоковольтный электрод высокого статического потенциала 30 кВ. Исследования концентрационных профилей легирующей примеси проводились методом резонансных ядерных реакций на ускорителе ЭСУ-4,5. Полученные кривые показали, что длина пробега ионов Al⁺ и N¹⁴ в твердом сплаве Т15К6 при облучении его пульсирующим пучком ионов Al + N₂ и подведенном на высоковольтный электрод высоком статическом потенциале 30 кВ превышает расчетную длину пробега примеси при энергии 150 кэВ.

Эффективность заявляемого устройства для имплантации ионов показана на фиг. 4, где приводится влияние режимов имплантации ионов Al⁺ в твердый сплав Т15К6 на зависимость распределения концентрации легирующей примеси в процентах от глубины внедрения ионов.

1. Имплантация ионов до дозы 10¹⁷ ион/см², ускоряющее напряжение 30 кВ, ионный ток до 25 мА.

2. Имплантация ионов до дозы 10¹⁷ ион/см², ускоряющее напряжение 30 кВ, отношение постоянной времени интегрирующего блока системы питания анода к постоянной времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя менее двух (1,1 < n < 1,9), ионный ток до 35 мА.

3. Имплантация ионов до дозы 10¹⁷ ион/см², ускоряющее напряжение 30 кВ, превышение постоянной времени интегрирующего блока системы питания анода над постоянной времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя находится в диапазоне от двух до трех в зависимости от расстояния между источником ионов и ускоряющим электродом и диаметра последнего, ионный ток до 60 мА.

При использовании интегрирующих блоков с превышением постоянной времени интегрирующего блока системы питания анода над постоянной времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя более трех работа устройства для имплантации ионов становилась неустойчивой, приводит к частому перерастанию тлеющего разряда в источнике ионов в дуговой и исчезновению плазмы в ускоряющем промежутке.

Использование заявляемого устройства для имплантации ионов позволило по сравнению с прототипом создать пульсацию ионного пучка при стационарном режиме ионной имплантации, вести внедрение ионов с энергией, превышающей подведенную, увеличив длину пробега ионов в облучаемую поверхность.

Изобретение относится к устройствам получения интенсивных ионных пучков и может быть использовано в установках имплантационной металлургии для увеличения глубины ионной имплантации (ИИ). Для увеличения глубины ИИ в облучаемую поверхность при стационарном пучке ионов выходы системы питания анода (А) и высоковольтного управляющего (У) выпрямителя снабжают интегрирующими блоками (Б), отношение постоянных времени которых находится в диапазоне от двух до трех, определяемое в зависимости от расстояния (Р) между источником ионов и высоковольтным электродом (ВЭ) и диаметра ВЭ из соотношения n = t_a/t_b = 3,16 (1 • L/d • D)^0,83, где n - отношение постоянной времени интегрирующего Б системы питания А к постоянной времени интегрирующего Б высоковольтного управляющего выпрямителя; t_a - постоянная времени интегрирующего Б системы питания А; t_b - постоянная времени интегрирующего Б высоковольтного управляющего выпрямителя; 1 - Р от центра А до границы (Г) извлечения плазмы из источника ионов; L - Р от источника ионов до ВЭ; d - диаметр отверстия на Г извлечения плазмы из источника ионов; D - диаметр ВЭ. 4 ил.

Устройство для имплантации ионов, содержащее вакуумную камеру с установленным в ней источником ионов Пенинга с системой питания анода и мишени, систему формирования и извлечения пучка ионов, высоковольтный управляющий выпрямитель, высоковольтный электрод, являющийся держателем образцов, отличающееся тем, что выходы системы питания анода и высоковольтного управляющего выпрямителя снабжены интегрирующими блоками, отношение постоянных времени которых находится в диапазоне от двух до трех, определяемое в зависимости от расстояния между источником ионов и ускоряющим электродом и диаметра высоковольтного электрода из соотношения
,
где n - отношение постоянной времени интегрирующего блока системы питания анода к постоянной времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя;
t_а - постоянная времени интегрирующего блока системы питания анода;
t_в - постоянная времени интегрирующего блока высоковольтного управляющего выпрямителя;
l - расстояние от центра анода до границы извлечения плазмы из источника ионов;
L - расстояние от источника ионов до высоковольтного электрода;
d - диаметр отверстия на границе извлечения плазмы из источника ионов;
D - диаметр высоковольтного электрода.