Импульсный лазерный испаритель с сепарацией ионов

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологическим устройствам для осаждения многослойных тонкопленочных структур испарением исходных материалов в вакууме. Для создания энергетически монохроматичного пучка ионов, испаряемого материала, имеющих одинаковую массу, заряд и энергию, в импульсном лазерном испарителе, содержащем импульсный лазер, объектив, систему сканирования лазерным лучом, механизм смены мишеней новым является то, что зона дрейфа и спаренных частиц расположена внутри сепаратора ионов, на выходе которого вдоль оси движения испаренных ионов последовательно размещены системы дополнительной ионизации частиц, замедляющего поля, ускоряющего поля, причем выход последней соединен со входом следующего дополнительного сепаратора ионов, а каскад, подключенный к выходу сепаратора и состоящий из системы дополнительной ионизации, систем замедляющего поля и ускоряющего поля дополнительного сепаратора повторяются неоднократно. 2 з.п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологическим устройствам для осаждения многослойных тонкопленочных структур испарением исходных материалов в вакууме.

Известно устройство для осаждения тонких пленок испарением исходного материала в вакууме, включающее лазер, работающий в импульсном режиме, объектив и держатель мишеней (см. Битюрин Ю.А. Гапонов С.В. и др. "Вакуумное лазерное напыление и эпитаксия", Электронная промышленность, 1981 г. N 5-6, с. 110-115).

Недостатком данного устройства является тот факт, что в процессе конденсации разброс частиц по энергиям приводит к разбросу характеристик изделий и свойств пленок, формирующих это изделие. Кроме того, имеет место неравномерное испарение мишени, что изменяет форму ее поверхности и соответственно деформирует диаграмму разлета испаряемых частиц.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности признаков является установка осаждения тонкопленочных покрытий импульсным лазером, включающая лазер, объектив, систему сканирования лазерным лучом, механизм смены мишеней (см. Васецкий Б.Г. Ивакин В.Ф. и др. "Установка для осаждения пленок в вакууме методом лазерного испарения", Электронная промышленность, 1983, N 4, c. 64-66).

Недостатком данной установки является то, что разброс частиц по энергиям составляет от 0,1 эВ до нескольких 1000 эВ, что в конечном итоге приводит к разбросу характеристик и свойств пленок.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении качества тонкопленочных структур за счет получения результирующего энергетически монохроматичного потока частиц испаряемого материала.

Результат достигается за счет того, что зона дрейфа испаренных частиц расположена внутри сепаратора ионов, на выходе которого вдоль оси движения испаренных ионов последовательно размещены узлы дополнительной ионизации частиц, замедляющего поля и ускоряющего поля, причем выход последнего соединен со входом следующего дополнительного сепаратора ионов, а каскад, подключенный к выходу сепаратора и состоящий из узла дополнительной ионизации, узлов замедляющего поля и ускоряющего поля дополнительного сепаратора, повторяются неоднократно.

На фиг. 1 представлен общий вид импульсного лазерного испарителя с сепарацией ионов, состоящий из импульсного лазера 1, объектива 2, системы сканирования лазерного луча 3, вакуумного оптически прозрачного для рабочей длины волны лазера ввода энергии 4, мишени 5 исходного материала, расположенной на карусели 6, магнитного сепаратора ионов 7. Магнитное поле сепаратора ионов фоpмируется и регулируется катушкой 9 и сердечником 10. Ионизатор потока частиц испаряемого материала включает в себя катод 11 и анод 12, над которыми размещается ускоряющая система 13 и замедляющая система 14, работающие поочередно. Над ними размещается следующий магнитный сепаратор ионов 15, магнитное поле которого формируется катушкой 1 и магнитопроводом 17. Количество подобных каскадов может повторяться, что позволяет использовать поток испаряемого материала, преобразуя его в энергетически монохроматичный поток ионов 18.

Для получения энергетически монохроматичного потока ионов 18 на испаряемый материал (мишень 5) подается при помощи объектива 2 системы сканирования 3 и ввода 4 импульс лазерного излучения. В фокальном пятне плотность мощности лазерного излучения достигает от 10⁷-10¹¹ Вт/см² при длительности импульса лазерного излучения до 10^-9 сек. При таких условиях до 30% частиц испаряемого материала находятся в ионизированном состоянии. Ионы 19 испаренного материала поступают в сепаратор ионов 7. При заданной величине магнитного или электрического поля в сепараторе ионов, ионы только определенной массы и энергии отклоняются и поступают на выход сепаратора, формируя энергетически монохроматичный поток ионов. Часть потока испаряемого вещества проскакивает через сепаратор ионов 7 и поступает в ионизатор, образованный катодом 11 и анодом 12. Частицы испаренного вещества имеют возможность в пространстве ионизатора ионизироваться приобретать заряд. Ионы большой энергии могут быть замедлены замедляющей системой 14, ионы с малой энергией ускоряться ускоряющей системой 13, после чего поток испаренного вещества формирует дополнительную часть энергетически монохроматичного потока 18. Процесс может повторяться, что обеспечивает возможность более полно использовать порцию испаренного материала. Синхронизация работы всех электродных систем и импульсного лазера обеспечивается системой питания и управления импульсным лазерным испарителем с сепарацией ионов.

Формула изобретения

1. Импульсный лазерный испаритель с сепарацией ионов, содержащий импульсный лазер, объектив, систему сканирования лазерным лучом и механизм смены мишеней, отличающийся тем, что он снабжен устройством формирования монохроматического потока ионов, выполненным в виде каскада, состоящего из сепаратора ионов с зоной дрейфа испаренных частиц, системы дополнительной ионизации и систем создания замедляющего и ускоряющего поля и дополнительного сепаратора, причем в каскаде электроды системы дополнительной ионизации размещены над сепаратором ионов, а электроды системы создания замедляющего и ускоряющего поля расположены над электродами системы дополнительной ионизации на входе в дополнительный сепаратор.

2. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что сепаратор ионов выполнен магнитным или электростатическим.

3. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что устройство для формирования монохроматического потока ионов выполнено в виде неоднократно повторяющихся каскадов.

РИСУНКИ

Рисунок 1