Способ многоэлементной ионной имплантации (варианты)

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем их облучения пучком ионов из фазообразующих атомов и может быть использовано для структурно-фазовой модификации твердых тел, например для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных свойств. Предложены два варианта реализации формирования на поверхности облучаемого объекта многоэлементного пучка при условии отличающихся не более чем на 10% для каждого из ионов величины отношения их массы к заряду. Сущность изобретения по первому варианту заключается в том, что в объеме камеры одного источника, соединенной, по меньшей мере, с двумя автономными дозаторами фазообразующих атомов, формируют из них многоэлементную плазму высокозарядных ионов. С помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, экстрагируют из плазмы многоэлементный пучок многозарядных ионов и направляют его в магнитный массепаратор. Магнитный сепаратор выделяет ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися не более чем на 10% относительно друг друга значениями величины отношения массы иона к их заряду и сканируют данным многоэлементным пучком по поверхности облучаемого объекта. Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что в объеме камеры источника, соединенной по меньшей мере с двумя автономными дозаторами фазообразующих атомов, формируют из них многоэлементную плазму высокозарядных ионов. С помощью периодически и последовательно изменяющегося по амплитуде электрического поля, сформированного модулятором амплитуды ускоряющего напряжения, экстрагируют многоэлементный пучок многозарядных ионов с соответствующими энергиями. Ионы, периодически и последовательно ускоренные до выбранных энергий, направляются через магнитный сепаратор на облучаемый объект. Изобретение решает задачу повышения эффективности ионного легирования и сокращения времени облучения объекта путем его одновременного облучения многоэлементным пучком ионов из фазообразующих атомов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем их получения пучком ионов из фазообразующих атомов и может быть использовано для структурно-фазовой модификации твердых тел, например для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных свойств.

Известно широкое применение ионных пучков для легирования твердых тел различными химически активными атомами с целью формирования в облучаемых материалах заданных по размеру и плотности выделений вторичных фаз, определяющих их физические, химические и механические характеристики [1].

Отличительная особенность ионного легирования - это возможность легирования объекта любыми (без ограничений) атомами, в том числе не имеющими растворимость в материале данного объекта. Именно это обстоятельство и способствовало широкому применению принципов ионной модификации структуры с целью управления химическими, физическими и механическими свойствами различных материалов. Так, например, с целью упрочнения материалов используют йонно-индуцированное формирование как скоплений радиационных дефектов, так и мелкодисперсных выделений вторичных фаз. В последнем случае удается получать наибольший эффект как по величине упрочнения, так и по его термической устойчивости, что и определяет его успешное применение при решении многих практических задач. Обычно для этих целей используют облучение заданного объекта ионами такого химического элемента, которые имеют способность образовывать с атомами облучаемого объекта химические соединения.

Наибольший же эффект в изменении физико-механических свойств твердых тел наблюдается, когда они облучается двумя-тремя ионами различных химических элементов, которые при определенных температурах получения или после радиационного обжига, взаимодействуя друг с другом, образуют новые сложные по химическому составу (многокомпонентные) фазы выделений в матрице облучаемого объекта [2]. При этом для реализации формирования многокомпонентной фазы используют последовательное облучение объекта соответствующими ионами. Например, для формирования фазы типа BN (нитрид бора) объект последовательно облучают ионами бора и азота [3, 4]. Естественно, для формирования, например, карбонитрида бора необходимо последовательное облучение ионами углерода, азота и бора. Установлено, что для обеспечения условий формирования фаз (в том числе и многокомпонентных) из легирующих атомов необходимо, чтобы их концентрация превышала предел растворимости в решетке облучаемого материала. В этой связи флюенс данных частиц должен составлять по меньшей мере 1017 см-2, что обычно и реализуется на практике. В этой связи требуется соответствующее время для облучения каждой из компонентов необходимых ионов. Т.е., например, для синтезирования трехкомпонентной фазы требуется трехкратное облучение объекта ионами каждой из компонент при строго определенных энергиях для ионов каждой компоненты.

При этом важнейшим условием является точный подбор энергий для каждого из бомбардирующих ионов с целью формирования пространственно подобных профилей ионного легирования в облучаемом объеме образца. Это обстоятельство требует наличия возможности контролируемо изменять энергию ускоряемых ионов в имплантере. В противном случае, как это реализовано в работе [5], когда используются ионы с нескоррелированными энергиями, пространственные профили легирования, например при двухэлементном облучении, сильно отличаются. В этом случае возникают физико-технические проблемы как с подбором доз облучения, так и с неопределенностью роли области в конце пробега, легированной только одним видом ионов, на характеристики конечного продукта.

В работе [6] описан способ ионной имплантации, в котором формируют плазму многозарядных ионов в одном источнике, после чего экстрагируют из него пучок ионов, из которых затем выделяют необходимые ионы со строго одинаковым отношением масс к их заряду с помощью высокоразрешающего магнитного сепаратора с последующим направлением их на облучаемый объект. Однако в большинстве научных и практических случаев синтезирования в облучаемом объекте многоэлементных фаз требуется одновременная многоэлементная имплантация в него различных изотопов или ионов с различающимися величинами отношения массы к их зарядам. Это обстоятельство часто встречается в практике формирования многоэлементного пучка из многозарядных ионов, когда невозможно выбрать из них ионы со строго одинаковой величиной отношения их масс к их зарядам. Использование вышеописанного способа в работе [6] не позволяет реализовать возможность формировать многоэлементный пучок из ионов с различающимися (по крайней мере на 10%) величинами отношений их массы к их зарядам. Например, при синтезировании предельно твердой фазы карбонитрида бора (BNC) нельзя реализовать условия получения из многозарядной смеси ионов 11ВN+, 12СN+ и 14NN+ (где N+ - величина заряда от 2 до 7) ионы с одинаковыми величинами отношения их массы к их зарядам. Более того, эти трудности возникают и при многоэлементной имплантации ионов, полученных из изотопных элементов, например, 11Вn+, 16О3,5,6+, 19Fn+, 57Fen+ и т.п., когда невозможно получить целые или одинаковые величины отношений их масс к их зарядам.

Основные недостатки используемых способов ионного легирования:

- необходимость большого времени при последовательном облучении объекта соответствующими ионами для достижения заданных их концентраций при номинальных (не приводящих к чрезмерному радиационному разогреву облучаемого объекта) потоках ионов,

- невозможность из экстрагированной многоэлементной плазмы выделить и направить на облучаемый объект ионы с различающимся (по крайней мере до 10%) величинами отношения их массы к их зарядам.

Изобретение решает задачу повышения эффективности формирования многоэлементного пучка и создания условий для одновременного облучения объекта многоэлементным пучком из фазообразующих атомов с отличающимися (по крайней мере не более чем на 10%) величинами отношения их массы к их зарядам при выполнении необходимого условия формирования подобных энергетических профилей ионного легирования по глубине облучаемого образца.

Технический результат изобретения достигается способом многоэлементной ионной имплантации, заключающимся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, в котором при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, экстрагируют из нее многоэлементный пучок с помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, и направляют его в магнитный сепаратор с относительным разрешением не более 10%, который формирует многоэлементный пучок, содержащий ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися относительно друг друга значениями величины отношения массы ионов к их заряду не более чем на 10% и сканируют сформированным многоэлементным пучком по поверхности облучаемого объекта.

Технический результат изобретения достигается также способом многоэлементной ионной имплантации, заключающимся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, в котором при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, затем экстрагируют из нее многоэлементный пучок этих ионов с помощью периодически и последовательно изменяющегося по амплитуде ускоряющего напряжения, изменение амплитуды которого обратно пропорционально изменению отношения массы ионов к их заряду для заданных фазообразующих атомов, после чего пучок направляют в магнитный сепаратор, с помощью которого выделяют ионы с равными по величине отношениями импульса к заряду и транспортируют их до облучаемого объекта.

Сущность изобретения по первому способу заключается в том, что в объеме камеры одного источника, соединенного по меньшей мере с двумя автономными дозаторами фазообразующих атомов, формируют из них многоэлементную плазму высокоразрядных (вплоть до «голого» ядра) ионов. С помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, экстрагируют из плазмы многоэлементный пучок многозарядных ионов и направляют его в магнитный массепаратор. Магнитный сепаратор с относительным разрешением не более 10% выделяет ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися не более чем на 10% относительно друг друга значениями величины отношения массы иона к их заряду. Поскольку магнитный сепаратор с пониженной разрешающей способностью формирует пучки каждого из выделенных ионов пространственно сдвинутыми относительно друг друга в фокальной плоскости магнитного сепаратора на величину, определяемую величиной его разрешения, то необходимо использовать систему пространственного сканирования сформированного многоэлементного пучка по бомбардируемой поверхности объекта. Сканирование пучка является необходимым условием для обеспечения формирования на облучаемой поверхности образца равномерного потока многоэлементных ионов, а следовательно, равномерного и единовременного ввода в облучаемый объект требуемых легирующих элементов.

Сущность изобретения по второму способу заключается в том, что в объеме камеры источника, соединенного по меньшей мере с двумя автономными дозаторами фазообразующих атомов, формируют из них многоэлементную плазму высокозарядных (вплоть до «голого» ядра) ионов. С помощью периодически изменяющегося по амплитуде электрического поля, сформированного модулятором амплитуды прямоугольных импульсов ускоряющего напряжения, последовательно экстрагируют многоэлементный пучок многозарядных ионов с соответствующими энергиями. Амплитуды ускоряющих напряжений для каждого типа ионов из многоэлементного пучка выбирается из условия формирования для каждого из ионов одинаковой величины отношения импульса к заряду с целью обеспечения условия их прохождения через магнитный сепаратор до объекта. Длительность периодического действия величины ускоряющего напряжения для каждого из ионов (скважность) выбирается из условия заданной относительной концентрации имплантируемых ионов в облучаемом объекте. Ионы, периодически и последовательно ускоренные до выбранных энергий, направляются через магнитный сепаратор на облучаемый объект.

На фиг.1 приведена принципиальная схема установки для формирования многоэлементного ионного пучка. Установка состоит из источника ионов 1, контейнеров для рабочих веществ 2, 3, 4, линии транспортировки многокомпонентного ионного пучка 5, магнитного сепаратора 6, сканирующего устройства 7, облучаемого объекта 8, выпрямителя ускоряющего напряжения 9, модулятора ускоряющего напряжения 10.

Рабочие вещества в необходимой пропорции из контейнеров 2, 3 и 4 подают в камеру источника многозарядных ионов 1. В камере формируется многоэлементная плазма многозарядных ионов. Пучок многозарядных ионов экстрагируют из ионного источника с энергией, которая задается выпрямителем ускоряющего напряжения 9. В соответствии с первым способом после прохождения линии транспортировки 5 и магнитного сепаратора 6 из многоэлементного пучка выделяются ионы с величинами отношения их массы к их заряду, отличающимися не более чем на 10%. При этом фокус каждого из ионов пространственно смещены в фокальной плоскости сепаратора, перпендикулярной к пучку. В этой связи необходимо обеспечить условия сканирования выделенного магнитным сепаратором многоэлементного пучка с помощью сканирующего устройства 7 вдоль поверхности облучаемого объекта 8.

Во втором способе, когда используются модулятор величины ускоряющего напряжения 10, каждый ион приобретает соответствующие ускоряющему напряжению энергии, обеспечивающие одинаковую величину отношения импульса иона к его заряду. При этом фокус каждого из прошедшего через магнитный сепаратор пучка пространственно совмещен в фокальной плоскости сепаратора. Поэтому для одновременного «вхождения» пучков ионов в облучаемый объект исключается необходимость использования их сканирования.

Ионы с различной величиной отношения их массы (А) к их заряду (Z) например, 11В4+В/ZВ=2,75), 12С4+ (AС/ZС=3), 14N5+N/ZN=2,8) могут быть одновременно направлены на объект при постоянном ускоряющем напряжении (U0) и использовании магнитного сепаратора с величиной относительной разрешающей способностью ниже 10%. При этом в условиях сканирования многоэлементного пучка по облучаемой поверхности объекта обеспечиваются условия формирования в нем пространственно подобных профилей ионного легирования (Фиг.2).

Те же ионы при использовании второго способа могут единовременно транспортироваться до облучаемого объекта при использовании следующих величин периодически и последовательно изменяющихся ускоряющих напряжений. Приняв, например, для иона 12С4+ величину ускоряющего напряжения UС=20 кВ, тогда для 11В4+, UB=UСxAС/ZСxZB/AB=21,8 кВ, а для 14N5+ UN=UСxAС/ZСxZN/AN=21,4 кВ, что и обеспечивает равенство для данных ионов величины отношения импульса к их заряду и их последовательное прохождение через магнитный сепаратор. При синтезировании в облучаемом объекте, например, фазы типа CNB, при равенстве потоков ионов С, N и В длительность периодического и последовательного действия в течение всего времени облучения для каждого из ускоряющих напряжений устанавливаются одинаковыми. На Фиг.3 приведены для данного случая многоэлементного облучения расчетные профили легирования.

Источники информации

1. Х.Риссел, И.Руге. Ионная имплантация. Москва.: Наука. 1983.

2. Application of ion Beam to Materials. (Eds. Carter G., Colligon J.S., Grant W.A.) Inst. Of Phys. Cont. Ser.28. 1976.

3. Углов В.В., Кулешов А.К., Кенигер А., Хаммер К., Раушенбах Б. Нанотвердость железа при моно и двойной имплантации азота и бора//Поверхность. 6. 1997. (98-101).

4. V.V.Uglov, D.P.Rusalcky, V.V.Khodasevich and at. al. Modified layer formation by means of high current density nitrogen and implantation.// Surface and Coatings Technology 103-104 (1998) 317-322.

5. S.Shukuri et. al. United States Patent №4.716.127. Dec.29, 1987.

6. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Кн. Оборудование ионной имплантации. Москва.: Радио и связь, 1988.

1. Способ многоэлементной ионной имплантации, заключающийся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, отличающийся тем, что при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, экстрагируют из нее многоэлементный пучок с помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, и направляют его в магнитный сепаратор с относительным разрешением не более 10%, который формирует многоэлементный пучок, содержащий ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися относительно друг друга значениями величины отношения массы ионов к их заряду не более чем на 10% и сканируют сформированным многоэлементным пучком по поверхности облучаемого объекта.

2. Способ многоэлементной ионной имплантации, заключающийся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, отличающийся тем, что при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, затем экстрагируют из нее многоэлементный пучок этих ионов с помощью периодически и последовательно изменяющегося по амплитуде ускоряющего напряжения, изменение амплитуды которого обратно пропорционально изменению отношения массы ионов к их заряду для заданных фазообразующих атомов, после чего пучок направляют в магнитный сепаратор, с помощью которого выделяют ионы с равными по величине отношениями импульса к заряду и транспортируют их до облучаемого объекта.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии для формирования в кристаллах областей с различным типом и величиной электропроводности с помощью имплантации ионов средних (10-5000 кэВ) энергий.

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем облучения ионами фазообразующих элементов и может быть использовано для ионной модификации структуры и физико-механических свойств металлов, полупроводников и сверхпроводников.

Изобретение относится к способам образования квазиодномерных твердых кремниевых наноструктур. .

Изобретение относится к методам формирования твердотельных наноструктур, в частности полупроводниковых и оптических, и может быть использовано при создании приборов нового поколения в микроэлектронике, а также в оптическом приборостроении.

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов и может быть использовано в технологии изготовления дискретных приборов и интегральных схем для очистки (геттерирования) исходных подложек и структур на основе монокристаллического кремния от фоновых примесей и дефектов.

Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к процессу легирования кремния халькогенами, и может быть применено при изготовлении термодатчиков, фотоприемников.
Изобретение относится к области получения специальных сплавов в виде покрытий или самонесущих изделий и может быть использовано в металлургии, машиностроении, материаловедении и других отраслях.

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем облучения ионами фазообразующих элементов и может быть использовано для ионной модификации структуры и физико-механических свойств металлов, полупроводников и сверхпроводников.

Изобретение относится к получению специальных материалов электронной техники и может быть использовано в оптои акустоэлектронике при создании ультрафиолетовых твердотельных лазеров, люминофоров и т.д.

Изобретение относится к средствам и способам маркировки ценных изделий, преимущественно драгоценных камней, в частности ограненных алмазов (бриллиантов), и может быть использовано для последующей идентификации данных изделий

Изобретение относится к технологии изготовления слоев пористого кремния, выполненных на поверхности монокристаллического кремния, которые могут быть использованы в оптике и оптоэлектронике. Способ заключается в формировании на поверхности исходной подложки монокристаллического кремния слоя пористого кремния путем ионной имплантации ионами металлов серебра или кобальта с энергией 10-50 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1023 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2 с и при температуре подложки во время облучения 20-400°C. Изобретение обеспечивает возможность изготовления слоев пористого кремния непосредственно на поверхности монокристаллического кремния методом ионной имплантации с исключением из технологической цепочки операции высокотемпературного отжига получаемых изделий. 9 ил., 3 пр.

Изобретение относится к технологии осаждения на больших площадях тонких пленок графена, которые могут быть легированы, для использования их в качестве прозрачного проводящего покрытия. Согласно одному из вариантов промежуточную легированную тонкую пленку графена гетероэпитаксиально выращивают на тонкой пленке катализатора с моноориентированной крупнозернистой кристаллической структурой, расположенного на целевой приемной подложке, включающей твердотельные легирующие добавки, которые включены в нее посредством процесса плавления, после чего осуществляют легирование промежуточной тонкой пленки графена примесями n- или p-типа с обеспечением возможности мигрирования твердотельных легирующих добавок из целевой приемной подложки в промежуточную тонкую пленку графена путем термической диффузии. Тонкие пленки графена, после того как они были сформированы, могут быть отделены от несущих их подложек и перенесены на принимающие подложки, например, для включения в промежуточный или готовый продукт. Выращенный, отделенный и перенесенный графен может в результате обладать низким поверхностным сопротивлением слоя (например, менее 150 Ом на единицу площади и ниже, в случае легирования) и высокими значениями пропускания света (по меньшей мере, например, в видимой и инфракрасной области). 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.
Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния. Способ легирования кремния заключается в том, что пластину кремния обрабатывают в тлеющем разряде инертных газов, не являющихся легирующими примесями, в качестве источника легирующих примесей используют сильнолегированный электрод в форме пластины, выполненный из гетерогенного сплава кремния с фосфором или бором, а процесс легирования осуществляют при периодической смене полярности импульсов напряжения, подаваемого на электроды. Плазменное легирование может проводиться без специальных мер безопасности при исключении из процесса дорогостоящих высокочистых токсичных пожаровзрывоопасных газов, что упрощает процесс и снижает затраты. До ионно-плазменной обработки сопротивление пластины кремния составляло 10 Ом, после обработки оно уменьшилось до 3 Ом, что свидетельствует об улучшении технико-экономических параметров легирования кремния.
Наверх