ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2010 года по МПК H01J37/08 

Изобретение - источник быстрых нейтральных частиц - относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц и может быть использовано для получения пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул.

Известен источник быстрых нейтральных частиц [1], в котором имеется разрядная камера с двойным стержневым анодом, обеспечивающим седловидное распределение электрического поля, и катодная решетка с отверстиями, обеспечивающая получение многолучевого выходного пучка с высокой степенью нейтрализации. Недостатками указанного источника являются высокое анодное напряжение (3-5 кВ), низкая достигнутая плотность тока пучка (0.1 мА/см²) и трудность формирования пучков с большой площадью сечения.

В качестве прототипа рассмотрим ионный источник с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов [2]. В данном источнике, состоящем из щелевого катода, соосного с ним замкнутого анода и источника магнитного поля, обеспечивается эффективная генерация ионных пучков, направленных как радиально внутрь, так и радиально наружу от замкнутой щели, через которую выходит поток ионов. Недостатком данного источника является низкая степень нейтрализации выходного пучка, что может приводить к возникновению зарядовых дефектов в обрабатываемых полупроводниковых структурах и тонких слоях, а также попадание на обрабатываемую поверхность излучения плазмы разряда в области вакуумного ультрафиолета, что приводит к возникновению радиационных повреждений.

Целью данного изобретения является увеличение степени нейтрализации выходного пучка и его интенсивности. Поставленная цель в базовой конструкции достигается применением разряда с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов и использованием нейтрализатора, выполненного в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника.

В отличие от существующих источников нейтральных пучков предлагаемый источник обладает следующими преимуществами:

(1) простота конструкции;

(2) возможность установки произвольной величины зазора между стенками канала нейтрализатора, а также большого числа стенок для увеличения эффективности канала нейтрализации;

(3) возможность использования различных форм канала для формирования пучков с заданным распределением в пространстве;

(4) возможность использования поверхности канала с чистотой до 15 класса для улучшения направленных свойств пучка;

(5) возможность покрытия стенок канала материалами с малой величиной работы выхода электронов для увеличения эффективности нейтрализации;

(6) возможность покрытия стенок канала материалами с малой величиной коэффициента распыления для уменьшения степени загрязнения пучка;

(7) возможность нанесения на стенки материала, не привносящего примесь в обрабатываемый объект, например материала, совпадающего с обрабатываемым;

(8) возможность фокусировки и расфокусировки пучка для повышения качества и производительности процессов обработки;

(9) исключение влияния прямого ВУФ излучения газоразрядной плазмы на обрабатываемую подложку.

Изобретение иллюстрируется чертежами

На фиг.1 представлен источник быстрых нейтральных частиц.

На фиг.2 представлен многоканальный источник быстрых нейтральных частиц.

На фиг.3 представлен источник быстрых нейтральных частиц со сходящимся пучком.

На фиг.4 представлен источник быстрых нейтральных частиц с расходящимся пучком.

На фиг.5 представлен источник быстрых нейтральных частиц с наклонным каналом и сходящимся пучком.

На фиг.6 представлен источник быстрых нейтральных частиц с наклонным каналом и расходящимся пучком.

На фиг.7 представлено сечение А-А (фиг.1) - вариант.

На фиг.8 представлено сечение А-А (фиг.1) - вариант.

На фиг.9 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком.

На фиг.10 представлен вариант геометрии нейтрализатора в плане.

На фиг.11 представлен вариант геометрии нейтрализатора в плане.

На фиг.12 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком.

На фиг.13 представлен вариант геометрии нейтрализатора в плане.

На фиг.14 представлен вариант геометрии нейтрализатора в плане.

На фиг.15 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками.

На фиг.16 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками.

На фиг.17 представлен источник быстрых нейтральных частиц с многоканальным нейтрализатором.

На фиг.18 представлен вариант геометрии нейтрализатора в плане.

На фиг.19 представлен вариант геометрии нейтрализатора в плане.

Источник быстрых нейтральных частиц (фиг.1) содержит источник ионов с замкнутым дрейфом электронов 1, который формирует замкнутый пучок ионов 2, канал нейтрализатора 3, образованный наружной 4 и внутренней 5 стенками, и выходной пучок быстрых нейтральных частиц 6. Внутренние стенки канала нейтрализации покрыты материалом 13 с малым коэффициентом распыления и низкой работой выхода электронов. В свою очередь источник ионов 1 содержит плазму 9, которая горит в области между холодным катодом 8 и кольцевым анодом 10, магнит 11 и отверстие для напуска газа.

Источник быстрых нейтральных частиц работает следующим образом. Пучок ионов 2, который выходит из катодной щели источника ионов с замкнутым дрейфом электронов 1, попадает в канал нейтрализации 3, образованный наружной 4 и внутренней 5 стенками. Проходя по каналу нейтрализации, ионный пучок обогащается быстрыми нейтральными частицами за счет газового и поверхностного механизмов перезарядки. В результате выходной пучок 6 имеет очень высокую степень нейтральности (отношение выходного потока быстрых нейтральных частиц к полному выходному потоку быстрых частиц). Изменяя параметры разряда (давление, напряжение, магнитное поле) и геометрические параметры канала нейтрализации, можно управлять составом выходного пучка и степенью его нейтральности.

В сечении А-А конструкция источника быстрых нейтральных частиц (фиг.1) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.2) или вытянутое сечение (фиг.3), что обеспечивает формирование нейтральных пучков 6 различной пространственной протяженности.

Экспериментальные исследования источника быстрых атомов аргона были осуществлены в источнике с кольцевым пучком ионов. Длина канала нейтрализации изменялась от 10 до 25 мм, а перепад давления между областями входа пучка ионов в нейтрализатор и выхода из него изменялся от 100 до 250. В высоковольтном режиме работы источника (напряжение на разряде U_p=2 кВ) и среднем давлении в канале порядка 10^-3 Па коэффициент перезарядки составляет примерно 50%. Повышение давления в канале до 10^-2 Па в этом режиме приводит к росту коэффициента до 70%. Коэффициент перезарядки, близкий к 100% (96-98%), достигается в низковольтном режиме работы источника (напряжение на разряде U_p=0,4 кВ) и среднем давлении в канале 10^-1 Па. При этом скорость распыления диоксида кремния пучком атомов аргона достигает 30 нм/мин.

Для улучшения равномерности выходного пучка предлагается многоканальная конструкция (фиг.4). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит несколько щелевых ионных источников, снабженных каналами нейтрализации 3. Конструкция позволяет улучшить равномерность выходного нейтрального пучка за счет перекрывания угловых диаграмм отдельных пучков, причем эффект зависит от расстояния от источника до обрабатываемой поверхности.

Для фокусировки выходного пучка в некоторую область предлагается конструкция со сходящимся пучком (фиг.5). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонно направленные пучки ионов 2 и соосные с ними каналы нейтрализации 3. Конструкция обеспечивает получение сфокусированного нейтрального пучка 6 для повышения производительности процессов обработки, причем эффект фокусировки зависит как от угла наклона, так и от расстояния от источника до обрабатываемой поверхности.

Для управления равномерностью обработки поверхностей сложного профиля предлагается конструкция с расходящимся пучком (фиг.6). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит каналы нейтрализации 3 с отрицательным наклоном. Конструкция обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка 6, причем эффект расфокусировки зависит как от угла наклона стенок канала, так и от расстояния от источника до обрабатываемой поверхности.

Для увеличения эффективности нейтрализации на стенках канала и фокусировки выходного пучка в некоторую область предлагается конструкция с наклонным каналом и сходящимся пучком (фиг.7). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонные к направлению ионного пучка 2 каналы нейтрализации 3. Угол наклона может изменяться в диапазоне 0-15°. При таких углах резко возрастает эффективность нейтрализации ионного пучка на стенках канала 4 и, вместе с тем, еще не происходит заметного распыления материала стенок канала. Одновременно конструкция обеспечивает фокусировку выходного пучка, что повышает производительность обработки материалов.

Для увеличения эффективности нейтрализации на стенках канала и обработки поверхностей сложного профиля предлагается конструкция с наклонным каналом и расходящимся пучком (фиг.8). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонные к направлению ионного пучка 2 каналы нейтрализации 3. Угол наклона может изменяться в диапазоне 0-15°. При таких углах резко возрастает эффективность нейтрализации ионного пучка и, вместе с тем, еще не происходит заметного распыления материала стенок канала. Одновременно конструкция обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

Для обработки внутренних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком (фиг.9). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с радиально расходящимся пучком 1 и канал нейтрализатора 3, образованный верхней 4 и нижней 5 стенками. Конструкция обеспечивает получение радиально расходящегося нейтрального пучка 6 для обработки внутренних поверхностей.

В плане конструкция источника быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком (фиг.9) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.10) или вытянутое сечение (фиг.11), что обеспечивает формирование нейтральных пучков 6 различной пространственной протяженности.

Для всесторонней обработки внешних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком (фиг.12). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с радиально сходящимся пучком 1 и канал нейтрализатора 3, образованный верхней 4 и нижней 5 стенками. Конструкция обеспечивает получение радиально сходящегося нейтрального пучка 6 для всесторонней обработки внешних поверхностей, например, перемещающегося вдоль оси стержня (фиг.13) или пластины (фиг.14).

В плане конструкция источника быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком (фиг.12) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.13) или вытянутое сечение (фиг.14), что обеспечивает формирование нейтральных пучков 6 различной пространственной протяженности.

Для равномерной всесторонней обработки внутренних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками (фиг.15). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с радиально расходящимися пучками 1 и каналами нейтрализатора 3, образованными верхними 4 и нижними 5 стенками. Конструкция обеспечивает получение однородного радиально расходящегося нейтрального пучка 6 для всесторонней обработки внутренних поверхностей, например, трубы.

Для равномерной всесторонней обработки внешних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками (фиг.16). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с радиально сходящимися пучками 1 и каналами нейтрализатора 3, образованными верхними 4 и нижними 5 стенками. Конструкция обеспечивает получение однородного радиально сходящегося нейтрального пучка 6 для всесторонней обработки внешних поверхностей, например, неподвижного стержня или пластины.

Для увеличения эффективности нейтрализации в основном за счет перезарядки ионов на стенках канала предлагается источник быстрых нейтральных частиц с многоканальным нейтрализатором (фиг.17). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция, кроме внутренней 4 и внешней 7 стенок канала нейтрализатора 3, также содержит дополнительные стенки нейтрализатора 6, которые увеличивают эффективную площадь поверхности канала нейтрализатора при прохождении через него пучка ионов 2. Это обеспечивает увеличение плотности потока быстрых нейтральных частиц 5.

В плане конструкция источника быстрых нейтральных частиц с многоканальным нейтрализатором (фиг.17) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.18) или вытянутое сечение (фиг.19), что обеспечивает формирование нейтральных пучков 6 различной пространственной протяженности.

Литература

1. Revell P.J., Evans A.C. "Ion beam etching using saddle field sources". Thin Solid Films, 1981, v.86, N2/3, pp.117-124.

2. Maishev Y., Ritter J., Terentiev Y., Velikov L. "Cold-cathode ion source with propagation of ions in the electron drift plane". Patent №6,130,507, Date of Patent: October 10, 2000.

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов. Источник быстрых нейтральных частиц имеет базовую конструкцию, которая содержит ионный источник с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов и нейтрализатор, выполненный в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника. Технический результат - увеличение степени нейтрализации выходного пучка и его интенсивности. 12 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Источник быстрых нейтральных частиц с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитопроводящий катод, полюсные наконечники которого образуют замкнутую выходную щель постоянной ширины и произвольной формы, магнитную систему, формирующую магнитное поле в выходной щели, и анод, расположенный напротив выходной щели внутри корпуса источника и обеспечивающий ионизацию рабочего газа и ускорение ионов, отличающийся тем, что на замкнутую выходную щель источника установлен нейтрализатор, выполненный в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника, что обеспечивает высокую степень нейтрализации выходного потока частиц за счет регулирования отношения длины щелевого канала нейтрализатора к ширине замкнутой выходной щели источника.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько щелевых ионных источников, снабженных каналами нейтрализации, что улучшает равномерность выходного нейтрального пучка за счет перекрывания угловых диаграмм отдельных пучков.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонно направленные пучки ионов и соосные с ними каналы нейтрализации, что обеспечивает получение сфокусированного нейтрального пучка для повышения производительности процессов обработки.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит каналы нейтрализации с отрицательным наклоном, что обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

5. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонные под углом 0-15° к направлению ионного пучка каналы нейтрализации, что увеличивает эффективность нейтрализации на стенках канала и фокусировку выходного пучка в некоторую область.

6. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонные под углом 0-15° от направления ионного пучка каналы нейтрализации, что увеличивает эффективность нейтрализации на стенках канала и обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

7. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит источник ионов с направленным вовне расходящимся пучком, что обеспечивает получение радиально расходящегося нейтрального пучка для обработки внутренних цилиндрических (круглых, овальных или иной в основании) поверхностей.

8. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит источник ионов с направленным внутрь сходящимся пучком, что обеспечивает получение радиально сходящегося нейтрального пучка для обработки внешних поверхностей.

9. Источник по п.1, отличающийся тем, что в плане конструкция источника может иметь несколько вариантов, например, круговое сечение или вытянутое сечение, что обеспечивает формирование нейтральных пучков различной пространственной протяженности.

10. Источник по п.1, отличающийся тем, что канал нейтрализации покрыт материалом с малым коэффициентом распыления и низкой работой выхода электронов, что обеспечивает высокую степень нейтрализации выходного потока частиц.

11. Источник по п.7, отличающийся тем, что произвольное число отдельных щелевых источников объединены общим анодом, что обеспечивает, например, равномерную обработку протяженных участков внутренней поверхности различных объектов.

12. Источник по п.8, отличающийся тем, что произвольное число отдельных щелевых источников объединены общим анодом, что обеспечивает, например, равномерную обработку протяженных участков внешней поверхности различных объектов.

13. Источник по п.10, отличающийся тем, что используется многоканальный нейтрализатор, что обеспечивает увеличение плотности потока быстрых нейтральных частиц.