ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2012 года по МПК H01J37/08 

Изобретение 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 канал нейтрализации, обеспечивающий нейтрализацию потока быстрых положительно заряженных атомных и молекулярных частиц с помощью механизмов резонансной перезарядки и поверхностной нейтрализации. Недостатком указанного источника является относительно низкая эффективность процессов нерезонансной перезарядки, которая имеет место при формировании пучков ионов сложного химического состава.

В качестве прототипа рассмотрим источник быстрых нейтральных частиц с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов [2]. В данном источнике, состоящем из щелевого катода, замкнутого анода, источника магнитного поля и канала нейтрализации, обеспечивается эффективная генерация пучков быстрых частиц с высокой степенью нейтральности. Недостатком данного источника является относительно низкая эффективность процессов нерезонансной перезарядки в газовой фазе, которая имеет место при формировании ионных пучков сложного химического состава, что снижает технологические возможности источника.

Целью данного изобретения является увеличение степени нейтрализации выходного пучка сложного химического состава практически до 100%. Поставленная цель в базовой конструкции достигается применением специального устройства, названного сепаратором, выводящего остаточные быстрые ионы из пучка и выполненного в виде электродов определенной длины и конфигурации, размещенных за выходным сечением канала нейтрализации.

В отличие от известных источников быстрых нейтральных частиц предлагаемый источник обладает следующими преимуществами:

(1) практически полное устранение заряженной компоненты из выходного пучка;

(2) возможность установки минимальной величины напряжения на сепараторе, достаточного для его эффективной работы при заданных значениях энергии и заряда ионов и в то же время не вызывающего возникновения паразитных электрических разрядов между элементами конструкции и распыления электродов;

(3) возможность уменьшения распыления пластин сепаратора путем придания им специальной формы;

(4) возможность покрытия пластин сепаратора материалами, не взаимодействующими с ионами пучка;

(5) простота конструкции и эксплуатации.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлен источник быстрых нейтральных частиц.

На фиг.2 представлено сечение А-А (фиг.1) - вариант.

На фиг.3 представлено сечение А-А (фиг.1) - вариант.

На фиг.4 представлен многоканальный источник быстрых нейтральных частиц.

На фиг.5 представлен источник быстрых нейтральных частиц со сходящимся пучком.

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

На фиг.7 представлен источник быстрых нейтральных частиц с наклонным каналом и сходящимся пучком.

На фиг.8 представлен источник быстрых нейтральных частиц с наклонным каналом и расходящимся пучком.

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

На фиг.10 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.9) в плане.

На фиг.11 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.9) в плане.

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

На фиг.13 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.12) в плане.

На фиг.14 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.12) 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.

Предлагаемый источник (фиг.1) содержит источник быстрых нейтральных частиц 1, описанный ранее [2] и заканчивающийся каналом нейтрализации 2, отрицательный (или заземленный) внешний электрод сепаратора 4, заземленный (или положительный) внутренний электрод сепаратора 7, установочные изоляторы 3 и 8.

В результате прохождения пучка быстрых частиц через канал сепаратора 5 ионная составляющая этого пучка 9 полностью отклоняется, и в результате на выходе из источника получается практически нейтральный пучок 6 быстрых частиц.

Источник работает следующим образом. Пучок быстрых частиц, выходящий из канала нейтрализации, попадает в канал сепаратора, в котором с помощью электродов определенной геометрии создано электрическое поле с сильной поперечной составляющей. В результате за время пролета канала сепаратора остаточные ионы, присутствующие в пучке, приобретают поперечную составляющую скорости.

При определенной геометрии сепаратора и разности напряжений на его электродах можно обеспечить такое отклонение траекторий остаточных ионов, чтобы все они перехватывались электродами. При заданных значениях длины электродов l и расстояния между электродами d напряжение, требуемое для удаления из пучка быстрых частиц ионов с кинетической энергией, соответствующей ускоряющему напряжению V, определяется формулой:

.

Придавая электродам сепаратора специальную форму, можно полностью устранить распыления пластин сепаратора.

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 различной пространственной протяженности.

Экспериментальные исследования предлагаемого источника быстрых нейтральных частиц были осуществлены при использовании источника, формирующего ленточный пучок. Длина канала сепаратора составляла 100-230 мм. При изменении напряжения на внешнем электроде от 0 до 150 В ионная составляющая выходного пучка уменьшалась практически до нуля. При использовании различных рабочих газов были достигнуты следующие скорости травления двуокиси кремния: 12 нм/мин (CF₄), 8.0 нм/мин (C₃F₈), 15 нм/мин (SF₆), а при использовании углеводородов (c-C₆H₅) получены скорости нанесения алмазоподобной пленки (АПП) и скорости травления АПП пучком кислорода до 40 нм/мин и 50 нм/мин соответственно.

Для улучшения равномерности выходного пучка предлагается многоканальная конструкция источника (фиг.4). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит несколько щелевых источников быстрых нейтральных частиц, снабженных электродами сепаратора 4 и 7. Конструкция позволяет улучшить равномерность выходного нейтрального пучка за счет перекрывания угловых диаграмм отдельных пучков, причем эффект зависит от расстояния источник - обрабатываемая поверхность.

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 направленный канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение сфокусированного нейтрального пучка 6 для повышения производительности процессов обработки, причем эффект фокусировки зависит как от угла наклона, так и от расстояния источник - обрабатываемая поверхность.

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 канал нейтрализации с отрицательным наклоном и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка 6, причем эффект расфокусировки зависит как от угла наклона, так и от расстояния источник - обрабатываемая поверхность.

Для увеличения эффективности нейтрализации на стенках канала нейтрализации и фокусировки выходного пучка в некоторую область предлагается конструкция с наклонным каналом и электродами сепаратора и сходящимся пучком (фиг.7). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонный к направлению ионного пучка канал нейтрализации 2 и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Угол наклона может изменяться в диапазоне 0-15°. При таких углах резко возрастает эффективность нейтрализации ионного пучка на стенках канала, что существенно увеличивает коэффициент использования ионного пучка. 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 электродами сепаратора и расходящимся пучком (фиг.8). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонный от направления ионного пучка канал нейтрализации 2 и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Угол наклона может изменяться в диапазоне 0-15°. При таких углах резко возрастает эффективность нейтрализации ионного пучка на стенках канала, что существенно увеличивает коэффициент использования ионного пучка. 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 быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком и электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение радиально расходящегося нейтрального пучка 6 для обработки внутренних поверхностей объектов.

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 нейтрального пучка 6 различной пространственной протяженности.

Для обработки внешних поверхностей объектов предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком (фиг.12). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком и электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение радиально сходящегося нейтрального пучка 6 для 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 нейтрального пучка 6 различной пространственной протяженности.

Для равномерной обработки внешних поверхностей объектов предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками (фиг.15). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками 6 и электродами сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает равномерную обработку протяженных участков внешней поверхности различных объектов.

Для равномерной обработки внутренних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками (фиг.16). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками 6 и электродами сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает равномерную обработку протяженных участков внутренней поверхности различных объектов.

Литература

1. Revell P.J., Evans A.C. Ion beam etching using saddle field sources. Thin Solid Films, 1981, v.86, №2/3, p.117-124.

2. Маишев Ю.П., Шевчук С.Л., Терентьев Ю.П., Кудря В.П. Патент на изобретение №2395133 "Источник быстрых нейтральных частиц". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20 июля 2010 г. Приоритет изобретения от 10 марта 2009 г.

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для очистки и полировки поверхностей объектов; для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов; для ассистирования процессов нанесения пленок инертными и химически активными частицами.

Источник быстрых нейтральных частиц имеет базовую конструкцию, которая содержит ионный источник с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов, нейтрализатор, выполненный в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника, и электроды сепаратора. Электроды сепаратора установлены на нейтрализатор и выполнены в виде поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал сепарации определенной длины и ширины, сопряженный с замкнутой выходной щелью нейтрализатора. Техническим результатом является полная нейтрализация выходного потока частиц и увеличение его интенсивности. 11 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Источник быстрых нейтральных частиц, содержащий источник ионов с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов и нейтрализатор, выполненный в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал нейтрализации определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника, отличающийся тем, что на нейтрализатор установлены электроды сепаратора, выполненные в виде поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал сепарации определенной длины и ширины, сопряженный с замкнутой выходной щелью нейтрализатора, что обеспечивает полную нейтрализацию выходного потока частиц за счет изменения отношения длины щелевого канала сепарации к ширине его замкнутой выходной щели и регулирования напряжения, подаваемого на электроды сепаратора для отклонения ионов из пучка быстрых частиц.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько щелевых источников быстрых нейтральных частиц, снабженных электродами сепаратора, что улучшает равномерность выходного нейтрального пучка за счет перекрывания угловых диаграмм отдельных пучков.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонно направленный канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора, что обеспечивает получение сфокусированного нейтрального пучка для повышения производительности процессов обработки объектов.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит канал нейтрализации с отрицательным наклоном и соосные с ним электроды сепаратора, что обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

5. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонный под углом (0-15)° к направлению пучка канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора, что увеличивает эффективность нейтрализации на стенках канала и фокусировку выходного пучка в некоторую область.

6. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонный под углом (0-15)° от направления пучка канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора, что увеличивает эффективность нейтрализации на стенках канала и обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

7. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит источник быстрых нейтральных частиц с направленным вовне расходящимся пучком и электродами сепаратора, что обеспечивает получение радиально расходящегося нейтрального пучка для обработки внутренних цилиндрических (круглых, овальных или иных в основании) поверхностей объектов.

8. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит источник быстрых нейтральных частиц с направленным внутрь сходящимся пучком и электродами сепаратора, что обеспечивает получение радиально сходящегося нейтрального пучка для обработки внешних поверхностей объектов.

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 электроды сепаратора покрыты материалом с малым коэффициентом распыления, что обеспечивает высокую степень чистоты выходного потока частиц.

11. Источник по п.7, отличающийся тем, что произвольное число отдельных щелевых источников с радиально расходящимися нейтральными пучками и электродами сепараторов 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 с радиально сходящимися нейтральными пучками и электродами сепараторов объединены общим анодом, что обеспечивает, например, равномерную обработку протяженных участков внешней поверхности различных объектов.