Источник быстрых атомов для равномерного травления плоских диэлектрических подложек Российский патент 2024 года по МПК H01J27/04 H01J37/34 H05H3/00 C23C14/35 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам быстрых нейтральных атомов, преимущественно к источникам пучков большого поперечного сечения быстрых нейтральных атомов для травления и нагрева изделий в рабочей вакуумной камере, в том числе перед нанесением на них покрытий с целью повышения адгезии и качества покрытий.

Известен источник пучка ионов диаметром 50 см, позволяющий очищать от загрязнений и нагревать изделия перед нанесением на них покрытий в вакууме (Hayes A.V., Kanarov V., Vidinsky В. Fifty centimeter ion beam source. // Rev. Sci. Instrum., 1996, v. 67, No 4, p. 1638-1641). В нем плазменный эмиттер ионов аргона получают в газоразрядной камере источника с помощью разряда между цилиндрическим анодом и четырьмя блоками накаленных катодов из толстой вольфрамовой проволоки в магнитном поле, создаваемом соленоидами, при давлении аргона 0,02-0,04 Па. Ионно-оптическая система (ИОС) источника состоит из двух сеток: плазменной и ускоряющей. При ускоряющем напряжении между ними 300 В ток пучка составляет 0,5-1 А, а при 500 В его величину можно изменять от 1 А до 2,2 А. При энергии ионов 800-900 эВ ток пучка достигает 4-5 А, что соответствует максимальной плотности тока 2,5 мА/см². С уменьшением энергии ниже 300 эВ плотность тока падает до 0,1 мА/см². Недостатком данного источника является использование накаленных катодов, которые отравляются в среде химически активных газов и быстро выходят из строя.

Известен источник ускоренных частиц, содержащий газоразрядную камеру с холодным катодом, анодом и источником питания газового разряда, корпус с фланцем для герметичного и электрического соединения с рабочей вакуумной камерой, внутри которого установлена газоразрядная камера, ускоряющую сетку между газоразрядной камерой и прилегающей к фланцу частью корпуса, а также источник ускоряющего напряжения, положительный полюс которого соединен с являющимся одним из электродов газоразрядной камеры холодным катодом, а отрицательный полюс соединен с фланцем корпуса (Метель А.С. Источники пучков заряженных частиц большого сечения на основе тлеющего разряда с холодным полым катодом. В сб. Плазменная эмиссионная электроника, тез. докл. Улан-Удэ: Бурятский институт естественных наук СО АН СССР, 1991, с. 77-81, рис. 2).

Образованные в газоразрядной камере ионы ускоряются разностью потенциалов, приложенной между образованным в газоразрядной камере плазменным эмиттером и прямоугольной ускоряющей сеткой, и через отверстия сетки пролетают в рабочую вакуумную камеру. Источник обрабатывает изделия ионами и быстрыми атомами.

Недостатком данного источника является низкая доля ионов, извлекаемых из плазменного эмиттера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа источник быстрых атомов, содержащий газоразрядную камеру с цилиндрическим полым катодом, перекрытым плоской круглой ускоряющей сеткой диаметром 18 см, и анодом внутри полого катода (Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Источник широкого пучка быстрых атомов, получаемых при перезарядке ионов, ускоряемых между двумя областями, заполненными плазмой // Приборы и техника эксперимента. 2009. №4. С. 166-172). При напряжении 400-500 В между анодом и полым катодом и напряжении до нескольких киловольт между полым катодом и ускоряющей сеткой, соединенной через резистор с рабочей вакуумной камерой, полый катод при давлении аргона ~ 0,2 Па заполняется однородной плазмой тлеющего разряда, ионы из плазмы ускоряются сеткой и через ее отверстия влетают в рабочую вакуумную камеру. При столкновениях с атомами газа в рабочей вакуумной камере они отдают им свой заряд и на расстоянии от сетки более 10 см формируется пучок быстрых нейтральных атомов с пренебрежимо малым содержанием ускоренных ионов. Диаметр пучка вблизи ускоряющей сетки примерно равен ее диаметру 18 см, а на расстоянии 60 см от сетки из-за столкновений с атомами газа он заметно возрастает. Тем не менее, неоднородность травления поверхности атомами аргона с энергией 1,5 кэВ на расстоянии 40 см от сетки в зоне диаметром 20 см не превышает 10%. При токе пучка 0,8 А этот источник обеспечивает равномерное травление плоских медных подложек диаметром 20 см со скоростью 5 мкм/ч.

Недостатком известного источника при обработке диэлектрических подложек, в том числе технической проблемой является загрязнение ускоряющей сетки и расположенного за ней полого катода диэлектрическим материалом распыляемых быстрыми атомами аргона подложек, приводящее к электрическим пробоям и выходу источника из строя.

Задачей предложенного решения является снижение потока в источник материала диэлектрических подложек, распыляемого быстрыми атомами.

Технический результат - повышение надежности и срока службы источника пучка быстрых атомов аргона при равномерном травлении плоских диэлектрических подложек за счет снижения диэлектрических загрязнений на электродах источника.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в источнике быстрых атомов, содержащем газоразрядную камеру, цилиндрический полый катод внутри камеры, анод внутри полого катода и перекрывающую выходное отверстие полого катода круглую сетку, сетка выполнена вогнутой, напротив сетки установлен проходящий через ее фокальную точку экран с отверстием в области последней, а снаружи газоразрядной камеры установлен соленоид для создания внутри полого катода осевого магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежом - Фиг. 1 - на котором изображена схема источника быстрых атомов.

Источник быстрых атомов содержит газоразрядную камеру 1, цилиндрический полый катод 2 внутри камеры 1, анод 3 внутри полого катода 2, перекрывающую выходное отверстие полого катода 2 круглую сетку 4, причем сетка 4 выполнена вогнутой, проходящий через фокальную точку сетки 4 экран 5 с отверстием в области фокальной точки и соленоид 6 для создания внутри полого катода 2 осевого магнитного поля.

Кроме того, на Фиг. 1 обозначены - источник питания разряда 7, положительный полюс которого соединен с анодом 3 газоразрядной камеры 1, а отрицательный полюс соединен с полым катодом 2, источник ускоряющего напряжения 8, положительный полюс которого соединен с анодом 3 газоразрядной камеры 1, а отрицательный полюс соединен с сеткой 4, подключенной через резистор 9 к рабочей вакуумной камере 10 для размещения обрабатываемых подложек 11, разрядная плазма 12, слой положительного объемного заряда 13, ионы 14 и 15 и быстрые нейтральные атомы 16 и 17.

Устройство работает следующим образом.

При напряжении 400-500 В между анодом 3 и полым катодом 2 и напряжении до нескольких киловольт между анодом 3 и ускоряющей сеткой 4, подключенной через резистор 9 к рабочей вакуумной камере 10, полый катод 2 при давлении аргона ~ 0,2 Па заполняется однородной разрядной плазмой 12, ионы 14 и 15 из плазмы 12 ускоряются в слое положительного объемного заряда 13 сеткой 4 и через отверстия сетки 4 влетают в рабочую вакуумную камеру 10. Так как разрядная плазма 12 достаточно однородна, ширина слоя 13 постоянна на всей поверхности сетки 4 и ускоренные ионы 14 и 15 пролетают через сетку 4 по нормалям к ее поверхности. Поэтому траектории всех быстрых атомов 16 и 17, образованных в результате перезарядки ускоренных ионов 14 и 15 на пути от сетки 4 до экрана 5, сходятся в фокальной точке сетки 4 и через отверстие в экране 5 летят на поверхность обрабатываемой диэлектрической подложки 11. При площади распыляемой поверхности подложки ~ 100 см² и диаметре отверстия в экране 1 см поток диэлектрического материала на ускоряющую сетку 4 источника снижается в сотни раз за счет его осаждения на поверхности экрана 5. Это уменьшает вероятность электрических пробоев в источнике и повышает его надежность.

Из-за увеличения угла падения быстрых атомов на подложку с расстоянием от ее центра скорость травления на периферии подложки снижается. Повышая ток соленоида 6 и индукцию осевого магнитного поля внутри полого катода 2, можно увеличить концентрацию плазмы 12 у цилиндрической стенки полого катода 2 и, соответственно, плотность тока ускоренных ионов 14 и 15 на периферии сетки 4 и скорость травления быстрыми атомами 16 и 17 периферии подложки 11. Регулировка тока соленоида 6 позволяет добиться максимальной однородности травления поверхности подложки 11.

По сравнению с прототипом, заявляемый источник быстрых атомов для равномерного травления плоских диэлектрических подложек, позволяет повысить надежность и срок службы источника пучка за счет снижения диэлектрических загрязнений на электродах источника.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышения надежности и срока службы источника пучка быстрых атомов аргона при равномерном травлении плоских диэлектрических подложек за счет снижения диэлектрических загрязнений на электродах источника.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для равномерного травления плоских диэлектрических подложек быстрыми атомами аргона;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к области обработки изделий ускоренными ионами или быстрыми атомами и предназначено для получения изделий с повышенными характеристиками за счет удаления дефектного поверхностного слоя пучком быстрых атомов. Технический результат - повышение надежности и срока службы источника пучка быстрых атомов аргона при равномерном травлении плоских диэлектрических подложек за счет снижения диэлектрических загрязнений на электродах источника. Источник быстрых атомов для равномерного травления плоских диэлектрических подложек содержит газоразрядную камеру, цилиндрический полый катод внутри камеры, анод внутри полого катода и перекрывающую выходное отверстие полого катода круглую вогнутую сетку. Напротив сетки установлен экран, проходящий через ее фокальную точку, с отверстием в области фокальной точки. Снаружи газоразрядной камеры установлен соленоид для создания внутри полого катода осевого магнитного поля. 1 ил.

Источник быстрых атомов для равномерного травления плоских диэлектрических подложек, содержащий газоразрядную камеру, цилиндрический полый катод внутри камеры, анод внутри полого катода и перекрывающую выходное отверстие полого катода круглую сетку, отличающийся тем, что сетка выполнена вогнутой, напротив сетки установлен проходящий через ее фокальную точку экран с отверстием в области последней, а снаружи газоразрядной камеры установлен соленоид для создания внутри полого катода осевого магнитного поля.