Способ генерации потоков ионов твердого тела Российский патент 2023 года по МПК H05H1/24 H01J37/34 C23C14/35 

Способ генерации потоков ионов твердого тела относится к вакуумной и плазменной технике и может быть применен для осуществления процессов ионного травления материалов, имплантации ионов металлов и полупроводников, осаждения тонкопленочных покрытий.

Известен источник ионов твердых веществ [1], в котором для создания потока ионов применяется плазма отражательного разряда во внешнем магнитном поле. В этом разряде катодом является термоэмиссионная спираль, а из распыляемого материала, поток ионов которого требуется получить, изготовлена цилиндрическая деталь в форме стакана. В источнике создается неоднородное магнитное поле типа ловушки, захватывающей электроны, что стабилизирует его работу. Разряд в источнике горит в парах чистого металла (режим самораспыления) и источник генерирует, в основном, ионы металла. Опытная модель источника выдавала 1,5 мА ионов меди через отверстие 3 мм при напряжении экстракции 4 кВ и магнитной индукции 0,018 Т. Затраты мощности при этом 200 Вт, а эффективность использования рабочего вещества 60%. Недостатками такого источника являются необходимость изготовления из распыляемого материала детали сложной формы (цилиндра с торцевой гранью), что далеко не всегда возможно, а также сильная зависимость параметров от состояния катодной спирали.

Известен источник ионов металлов [2] цилиндрической геометрии на основе дугового разряда в магнитном поле, с поджигающим электродом в виде диска, установленным соосно с осью ускорителя и ускоряющей системой с соосными цилиндрическими катодом и анодом. При этом катодом является набор из нескольких стержней, изготовленных из материала, ионы которого требуется получить. Недостатком такого источника является то, что поскольку он основан на дуговом разряде, при его поджиге и дальнейшей работе в испускаемом потоке присутствуют не только ионы, но также и капельная фаза, макроскопические кластеры.

Известен также источник ионов металлов [3] на основе дугового разряда, в котором формируемая плазма ускоряется благодаря наличию профилированного сверхзвукового сопла из диэлектрического материала, критическое сечение которого совпадает с торцевой плоскостью катода и поджигающего электрода. Разряд создается после подачи между катодом и поджигающим электродом импульса высокого напряжения 10-20 кВ. Формирование сверхзвукового потока плазмы дополнительно повышает степень ее ионизации. Одним из недостатков данного источника является то, что поскольку он основан на дуговом разряде, при его поджиге и дальнейшей работе в испускаемом потоке присутствуют не только ионы, но также и капельная фаза, макроскопические кластеры. Также недостатком с точки зрения качества получающегося пучка является применение диэлектрического сопла, которое также подвержено эрозии в мощном плазменном потоке. Ещё одним недостатком данного метода является необходимость использовать для поджига высоковольтные импульсы (10-20 кВ).

Широко известны источники ионов класса MEVVA [4], в которых применяется сильноточный импульсный дуговой разряд. Вакуумный дуговой разряд зажигается между анодом и катодом, расположенными коаксиально. Распространяясь вдоль оси симметрии плазма попадает на систему экстракции и ускорения ионов. В области дугового разряда с помощью внешней катушки создается магнитное поле с индукцией 0,010 Т для стабилизации и придания направления плазменному потоку. Недостатком таких источников является высокое напряжение экстракции (60-120 кВ).

Известен способ получения плазмы ионов бора с содержанием более 95% [5], при котором используется импульсный магнетронный разряд в аргоне на мишени из твердотельного бора. При этом при нормальных условиях бор является полупроводником с низкой электропроводностью, и электрическое сопротивление такой мишени велико. Поэтому для реализации этого способа вначале зажигается слаботочный магнетронный разряд постоянного тока, под воздействием которого мишень нагревается, а ее удельная электрическая проводимость растет. Когда она становится достаточной для реализации режима самораспыления мишени, на нее подают высоковольтные импульсы напряжения (более 1 кВ) длительностью до 100 мкс. Приложение этих импульсов приводит к зажиганию сильноточного импульсного магнетронного разряда, плазма в котором характеризуется высоким (до 90%) содержанием металлических ионов материала мишени (ток 10-50 А, напряжение 1-2 кВ, длительность импульса 10-100 мкс, частота повторения импульсов от единичных до 50 Гц). Недостатком способа является его узкая применимость, связанная со свойством конкретного материала (бора) переходить при нагреве в состояние с величиной электропроводности, значительно выше первоначальной, при этом сам нагрев определяется высоким сопротивлением этого же материала при более низких температурах.

В предлагаемом способе генерации потоков ионов твердого тела спектр материалов, которые можно использовать для получения ионных потоков, сильно расширяется. В нем используется планарный магнетрон. Мишень размещается на специальной теплоизолирующей подставке, которая при этом обладает высокой электрической проводимостью. На мишени зажигается магнетронный разряд постоянного тока с плотностью мощности до сотен Вт/см², в аргоне. Материал мишени нагревается в процессе бомбардировки ионами из плазмы разряда. По мере нагрева мишени, она начинает испаряться или сублимировать (в зависимости от конкретного материала). Когда температура мишени достигает величины, которой соответствует давление насыщенных паров материала над поверхностью порядка или выше 0,5 Па, подачу аргона отключают, и разряд продолжает гореть уже исключительно в этих парах. Затем к мишени прикладывают импульсы напряжения величиной до 2 кВ, длительностью 10-1000 мкс, с частотой повторения до 1 кГц. В таком режиме плазма состоит только из частиц распыляемого (испаряемого) материала, а степень ионизации при токе в импульсе до сотен ампер достигает 90-98%, поскольку потенциал ионизации элементов твердых тел гораздо ниже, чем частиц газа. Применение магнетронного разряда вместо дугового гарантирует лучшую однородность и стабильность, при этом без появления крупных кластеров и капельной фазы в генерируемом ионном потоке, что характерно для дуговых систем, описанных выше. При этом возможно получение потоков ионов широкого спектра материалов, включая медь, хром, никель, титан, кремний. После магнетрона располагается электростатическая система формирования ионного пучка, состоящая из сетки, экранирующей плазму, и сетки, вытягивающей (ускоряющей) ионы.

Схема реализации метода показана на Фиг. 1: 1 - магнетронный узел, 2 - теплоизолирующая подставка для мишени, 3 - мишень твердого вещества, 4 - ионы, 5 - экранирующая сетка, 6 - ускоряющая сетка.

Список используемых источников

1. Абдрашитова Д. Х., Бабаев В. Г., Гусева М. Б. Источник ионов твердых веществ // Авторское свидетельство СССР № 410700 A1, 1976.

2. Новикова Н. И., Носков Д. А., Орликов Л. Н., Шангин А. С. Источник ионов металлов // Авторское свидетельство СССР № 1533563 A1, 1998.

3. Носков Д. А., Орликов Л. Н., Толопа А. М. Источник ионов металлов // Авторское свидетельство СССР № 1588196 A1, 1998.

4. Brown I., Washburn J. The MEVVA ion source for high current metal ion implantation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. Vol. 21. 1987. P. 201-204.

5. Визирь А. В., Николаев А. Г., Окс Е. М., Останин А. Г., Юшков Г. Ю. Способ получения плазмы ионов бора // Патент RU № 2550738 C1, 2015.

Изобретение относится к области вакуумной и плазменной техники и может быть применено для осуществления процессов ионного травления материалов, имплантации ионов металлов и полупроводников, осаждения тонкопленочных покрытий. Технический результат - повышение содержания в плазме ионов твердого тела до 90-98%. Способ предусматривает формирование плазмы импульсного магнетронного разряда высокой мощности на предварительно разогретой мишени. Импульсный разряд с параметрами - напряжение до 2 кВ, ток 10-500 А, длительность 10-1000 мкс, частота повторения до 1 кГц - создается в предварительно ионизированном объеме над поверхностью нагретой мишени, отделенной теплоизолирующей подставкой с высокой электропроводностью. Нагрев мишени проводится в магнетронном разряде постоянного тока в аргоне с плотностью мощности выше 100 Вт/см² до температуры, при которой давление насыщенных паров материала становится порядка или выше 0,5 Па, после чего подача аргона отключается, и разряд горит исключительно в парах материала мишени. Сформированный в этой среде импульсный магнетронный разряд характеризуется степенью ионизации плазмы выше 90% для широкого спектра материалов. 1 ил.

Способ генерации потоков ионов твердого тела, включающий формирование плазмы импульсного магнетронного разряда высокой мощности на предварительно разогретой мишени, отличающийся тем, что импульсный разряд создается в предварительно ионизированном объеме над поверхностью нагретой мишени, отделенной теплоизолирующей подставкой с высокой электропроводностью, причем нагрев мишени проводится в магнетронном разряде постоянного тока в аргоне с плотностью мощности выше 100 Вт/см² до температуры, при которой давление насыщенных паров материала становится порядка или выше 0,5 Па, после чего подача аргона отключается, разряд горит исключительно в парах материала мишени, и к мишени прикладывают импульсы напряжения величиной до 2 кВ, длительностью 10–1000 мкс, с частотой повторения до 1 кГц, при этом получающийся импульсный магнетронный разряд характеризуется степенью ионизации плазмы 90–98% для широкого спектра материалов, включая медь, хром, никель, титан, кремний.