Способ генерации в ионном источнике двухкомпонентного потока ионов газа и металла

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5017575/25 (22) 25.11.91 (46) 15.10.93 Бюп. ¹ 37 — 38 (71) Институт сильноточной электроники СО PAH (72) Бугаев С.П.; Николаев А.Г; Окс ЕМ.; Цанин П.M.;

Юшков Г.Ю. (73) Институт сильноточной электроники СО PAH (54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ В ИОННОМ ИСТОЧНИКЕ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ПОТОКА ИОН0В ГАЗА И МЕТАЛЛА (57) Использование: ионно-плазменная техника, разработка ионных источников технологического назначения. Сущность изобретения: способ включает образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда с последующим воздействием их на металлический электрод, находящийся под отрицательным потенциалом. Затем потенциал электрода и ток контрагирования разряда увеличи(в) RU (и) 2001 3 1 (51) 5 Н01 27 04 Н01 J27 22 вают до образования на электроде катодного пятна вакуумной дуги и устанавливают ток вакуумно дуги

I, величину которого определяют из соотношения д

I =axial /(1-тт), где a — коэффициент, зависящий

Д К от рода используемого газа и материала электрода, I — ток контрагированного разряда, тт — заданная

К доля металлического компонента в ионном потоке.

Коэффициент а предварительно определяют путем измерения доли и металлического компонента в о ионном потоке при фиксированных значениях токов контрагированного разряда 1 и вакуумной дуги I

К ll о о и вычисления из соотношения a=l (1-тт )/тт I д о ок о о

Способ обеспечивает расширение диапазона регулировки долевого соотношения компонентов 3 ил.

2001463

1 = гг у. I„,/ (1 — у ), Изобретение относится к ионно-плазменной технике и может быть использовано при разработке ионных источников технологического назначения.

Известен способ генерации двухкомпонентного потока ионов газов и металлов на основе использования контрагированного разряда газов и металлов на основе использования контрагированного разряда, В данном способе ионы газа генерируются в контрагированном разряде. Часть газовых ионов ускоряется в поле замещенного в плазму распыляемого металлического электрода и бомбардирует его поверхность, обеспечивая при этом поступление в плазму атомов металла и их последующую иониэацию интенсивным электронными потоком, Таким образом в плазме такого разряда образуются газовые и металлические ионы, обуславливающие при отборе частиц формирование двухкомпонентного ионного потока, Компонентный состав ионного потока определяется выбором рода рабочего газа и материала распыляемого электрода. Долевое соотношение компонентов регулируется величиной тока контрагированной дуги и расходом рабочего газа, а также отрицательным, относительно плазмы контрагированного разряда, потенциалом распыляемого электрода. определяющим энергию бомбардируемых ионов, а следовательно, и коэффициент распыления.

Недостатком данного способа является ограниченность диапазона регулировки долевого соотношения компонентов ионного потока. Это связано с тем, что генерация металлических ионов предполагает обязательное существОвание и газовых ионов, необходимых для распыления. Поскольку напряжение между плазмой и распыляемым электродом ограничено пробоем ионного слоя, это накладывает ограничения на величину ускоряющего ионы напряжения и, соответственно, на коэффициент распыления.

Указанные недостатки не позволяют в устройствах, реализующих данный способ, регулировать долю металлического компонента ионного потока более 50, Это, в свою очередь, значительно ограничивает возможности использования данного способа в ионно-лучевой технологии, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ генерации двухкомпонентного потока ионов газов и металла в ионном источнике на основе контрагированного разряда и вакуумной дуги. Способ включает образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда и последующее воздействие их на металлический электрод, находящий5

55 ся под отрицательным относительно плазмы потенциалом, приводящее к образованию на металлическом электроде катодного пятна вакуумной дуги, обеспечивающего металлический компонент ионного потока, Недостатком данного способа является отсутствие зависимости между требуемой величиной доли металлического компонента в ионном потоке и значениями токов контрагированного разряда и вакуумной дуги.

Укаэанный недостаток устраняется в известном способе генерации двухкомпонентного потока ионов газа и металла включающем образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда и последующее их воздействие на металлический электрод, находящийся под отрицательным, относительно плазмы потенциалом, приводящее к образованию на металлическом электроде катодного пятна вакуумной дуги, согласно изобретению ток вакуумной дуги lg устанавливают из соотношения где Ik — ток контрагированного разряда, rg— заданная доля металлического компонента в ионном потоке,а- коэффициент, эависящий от рода газа и материала электрода, определяемый путем измерения доли металлического компонента в ионном потоке у < при фиксированных значениях токов контрагированного разряда Ikg и вакуумной дуги 1 из соотношения гХ = 1до(1 — g о) / 1) î Iko

Предлагаемый способ отличается от прототипа возможностью выбора по установленной зависимости требуемого значения тока вакуумной дуги при заданных величинах доли металлического компонента в ионном потоке и тока контрагированного разряда.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем, Получение двухкомпонентного потока ионов в заявляемом способе осуществляется в результате одновременной реализации двух форм дугового разряда: контрагированной и вакуумной дуг. В первом случае обеспечивается эффективная генерация ионов напускаемого в область горения разрядов рабочего газа, во втором — ионов металла материала электрода, поступающих в область токоотбора иэ катодного пятна, Выбор соответствующего рода рабочего газа и материала электрода определяет компонентный состав ионного

2001463 собствует возбуждению катодного пятна, 55 но и оказывает стабилизирующее влияние на горение вакуумной дуги. Особенно это сказывается при токах разряда, близких в пороговому току, при котором на данном материале может образоваться катодное потока, Регулировка токов разрядов по полученной зависимости обеспечивает необходимое долевое соотношение компонентов в ионном пучке. Поскольку образование металлических ионов в предложенном способе обеспечивается функционированием катодного пятна и непосредственно не связано с необходимостью генерации газовых ионов, это существенно расширяет диапазон регулировки долевого соотношения компонентов.

Ионный источник, реализующий данный способ, представлен на фиг.1. Он содержит катод 1, промежуточный электрод 2 с вставленным в него центральным металлическим электродом 3, в котором выполнено контрагирующее отверстие, полый анод

4, закрытый с одного торца металлической сеткой 5. и коллектор 6. Между катодом 1 и анодом 4 подключен источник питания контрагированного разряда 7, а между промежуточным электродом 2 и анодом 4 подключен источник питания вакуумной дуги 8.

Предлагаемый способ регенерации в иойном источнике двухкомпонентного потока ионов газа и металлов с заданным долевым соотношением компонентов осуществляется следующим образом. При подаче напряжения от источников питания 7, 8 и необходимого расхода рабочего газа между катодом 1 и анодом 4 зажигается дуговой разряд, контрагированный отверстием в металлическом электроде 3. На входе отверстия при этом образуется двойной электростатический слой, в котором ускоряются поступающие иэ катодной области электроны. Совмещение потоков высокоэнергетичных электронов и нейтральных частиц рабочего газа приводит к эффективной регенерации в области контрагирования и анодной части разряда газовых ионов. При повышении концентрации плазмы за счет увеличения тока контрагированного разряда и напряжения между электродом 3 и плазмой на выходе отверстия на металлическом электроде 3 под плазмой контрагированного разряда, в месте ее наибольшей концентрации (вблизи отверстия), возбуждается катодное пятно, ток которого поддерживается источником питания 8, Существование катодного пят а обеспечивает поступление в анодную область металлических ионов. Как показали испытания, контрагированнный разряд не только cflo

50 пятно. В свою очередь протекание тока нейтральных частиц в области функционирования катодного пятна приводит к их иониэации, что увеличивает степень использования рабочего газа в данном способе.

Таким образом, одновременное горение двух форм дугового разряда обеспечивает генерацию плазмы, содержащую два компонента ионов — газовых и металлических, При приложении ускоряющего напряжения между анодом 4 и коллектором 6 с плазменной поверхности стабилизированное сеткой 5, происходит отбор ионов, При этом формируется двухкомпонентный ионный поток, включающий в себя ионы газа и металла. Долевое соотношение компонентного потока определяется соответствующим соотношением концентраций газовых и металлических ионов в плазме. Концентрация газовых и металлических ионов, как в любом разряде низкого давления, прямо пропорциональна величинам токов контрагированной и вакуумной дуг соответственно. Коэффициенты пропорциональности зависят от рода рабочего газа и материала электрода. Исходя из вышеизложенного, а также на основе проведенных исследований, нами получено соотношение, связывающее величину тока вакуумной дуги Ig c током контрагированного разряда lk при заданной доле металлического компонента в ионном потоке ty:

Ig=- с I.,.-Ч/(1 — Ч)

Поскольку при одновременном горении двух разрядов существенное значение имеет из взаимовлияние на условия генерации металлической и газовой плазменных компонентов, то входящий в приведенное соотношение коэффициент а, отражающий эту сложную взаимосвязь, определяется опытным путем. Как показали наши исследования, коэффициент зависит от рода используемого газа и материала электрода, на котором возбуждается катодное пятно.

Величина а определялась путем измерения доли металлического компонента в ионном потоке при фиксированных значениях токов контрагированного разряда i„и вакуумной дуги Ig< из соотношения:

Для определения величины у„ использовались измерения эксг1оэиционной дозы в облучаемом ионами образце методом Резерфордовского обратного рассеяния (POP). Результаты измерений приведены на фиг.2 и 3.

2001463 гистрировалась в результате интегрирования профиля распределения, Ошибка измерения интегрального содержания тантала и аргона в имплантированном слое кремния, выполненная методом сравнения со вторич1г ным POP стандартом, составила 10 ион/см при измеряемой дозе 5 10 — 10

2 16 17 ион/см . С использованием приведенного г соотношения по определени1о коэффициента r" расчет дает для пары аргон-тантал величину коэффициента а =- 6,6, Как показали наши исследования, значение коэффициента е остается неиз;:1енным в широком диапазоне изменения доли металлического компонента в общем ионном потоке.

С учетом полученного значения коэффициента а, не привлекая трудоемких калибровочных измерений, определяем для заданного значения t/ необходиму1о величину тока катодного пятна вакуумной дуги, Гак, например, при токе контрлгированного разряда в аргоне 10 А и задан loll äîëå t1eталлического компонента tj = 0,25, согласно соотношение, вычисляем ток вакуумной дуги на танталовом электроде, равный

6,6 О.?5 10 20 А

0,75

С использованием методики РОР нами также определено значение коэффициента гс для пары азот-титан. которое составляет 6.9 (GM.ôèã.3).

При реализации предложенного способа возможна регулировка доли металлического компонента в общем ионном потоке в диапазоне от 0,05 до 0,95. Следует отметить, что нижний предел регулировки ограничен пороговым током возникновения катодного пятна, а верхний — минимальным расходом рабочего газа и величиной тока контрагированного разряда, необходимыми для инициирования катодного пятна вакуумной дуги, (56) Keller R,. R cable А, noble gas

duoplasmatron for the 10 mA Range. Radiation

Effects. 1979, v-44, рр.201-206.

Бугаев С.П, и др. Источник ионов на основе контрагированного разряда и вакууммной дуги, Vill Всесо1озная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов, Харьков, 1989, с,143 — 144. о

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕНЕРЛЦИИ В ИОННОМ ИСТОЧНИКЕ

ДВУХКОМПОНЕНТНОГО Г1ОТОКА ИОНОВ ГЛЗА И метллГ1А. включающий образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда и последующее воздействие ими

Пример. Предложенный способ реализован в ионном источнике, схематично представленном на фиг,1, Разряд между катодом 1 и анодом 4 контрагировался отверстием 04 мм в электроде 3, запрессованном в промежуточном электроде 2, Отбор ионов осуществляется с плазменной поверхности, стабилизированной сеткой 5. Межу анодом

4 и коллектором 6 приложено ускоря1ощее напряжение. Ток контрагированного разряда регулировался источником питания 7, Отрицательное смещение на электрод 3 подавалось от отдельного источника питания 8, подключенного между электродом 3 и анодом 4. Так как потенциал плазмы близок к потенциалу анода 4, то отрицательный потенциал электрода 3 относительно анода

4 практически совпадает с потенциалом этого электрода относительно плазмы. При горении контрагированного разряда в анодной области образуются ионы используемого газа. Поскольку потенциал электрода 3 ниже потенциала плазмы, то ионы, ускорялись в слое, отделящем плазму от электрода 3, попадают на его поверхность. увеличивая ток контрагированной дуги с помощью источника питания 7 и увеличивая отрицательный потенциал электрода 3 посредством источника питания 8, добиваемся возникновения на электроде 3 катодного пятна вакуумной дуги. По резкому снижению напряжения на выходе источника питания 8 и, соответственно, резкому повышению тока этого источника судим об образовании катодного пятна. В наших экспериментах для зажигания катодного пятна ток контрагированного разряда составил (3 — 5) А, при этом концентрация плазмы в области отверстия достигала 10 см, а на11 пряжение 1000 В. Г1осле образования катодного пятна напряжение на прол1ежутке электрод 3 — анод 4 снизилось до величины (60 — 80) В.

На фиг.2 представлены результаты измерений профиля распределения имплантированных ионов аргона и тантала, на фиг.3 — азота и титана в кремниеву1о мишень, проведенных методом РОР для ионов гелия (Е = 1,8 МэВ, О = 170 ). Величины токов контрагированного разряда и вакуумной дуги составляли при этом 20 и 70 А соответственно. Экспозиционная доза ре5

50 на металлический электрод, находящийся под отрицательным относительно плазмы потенциалом, и увеличение тока контрагированного разряда до образования на металлическом электроде катодного пятна вакуумной дуги, отличающийся тем, что ве2001463!

О личину тока вакуумной дуги !д выбирают иэ соотношения

l = Ю, (l-y). где !» - ток контрагированного разряда; л - заданная доля металлического компонента в ионном потоке; а - коэффициент, зависящий от рода используемого газа и материала электрода, который предварительно определяют. путем измерения доли д, металлического компонента в ионном потоке при фиксированных значениях

5 токов контрагированного разряда !к,o и вакуумной дуги !д,о и вычисления иэ соотношения

Id о.(! "î ) tyo Iê.î.

2001463

®см ) 04 06

Од Ю 1 .2 74 Е, МзВ

Р рог. Г

0,Ф 08 08 1,0 7,2 s4 Е, МяЕ

Составитель Т. Бычкова

Редактор Н, Семенова + Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В. Петраш

Заказ 3130

Тираж Подписное

НПО " Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101