Источник быстрых нейтральных частиц

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для очистки и полировки поверхностей объектов; для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов; для ассистирования процессов нанесения пленок инертными и химически активными частицами.

Источник быстрых нейтральных частиц имеет базовую конструкцию, которая содержит ионный источник с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов, нейтрализатор, выполненный в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника, и электроды сепаратора. Электроды сепаратора установлены на нейтрализатор и выполнены в виде поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал сепарации определенной длины и ширины, сопряженный с замкнутой выходной щелью нейтрализатора. Техническим результатом является полная нейтрализация выходного потока частиц и увеличение его интенсивности. 11 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц и может быть использовано для получения пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул.

Известен источник быстрых нейтральных частиц [1], в котором имеется канал нейтрализации, обеспечивающий нейтрализацию потока быстрых положительно заряженных атомных и молекулярных частиц с помощью механизмов резонансной перезарядки и поверхностной нейтрализации. Недостатком указанного источника является относительно низкая эффективность процессов нерезонансной перезарядки, которая имеет место при формировании пучков ионов сложного химического состава.

В качестве прототипа рассмотрим источник быстрых нейтральных частиц с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов [2]. В данном источнике, состоящем из щелевого катода, замкнутого анода, источника магнитного поля и канала нейтрализации, обеспечивается эффективная генерация пучков быстрых частиц с высокой степенью нейтральности. Недостатком данного источника является относительно низкая эффективность процессов нерезонансной перезарядки в газовой фазе, которая имеет место при формировании ионных пучков сложного химического состава, что снижает технологические возможности источника.

Целью данного изобретения является увеличение степени нейтрализации выходного пучка сложного химического состава практически до 100%. Поставленная цель в базовой конструкции достигается применением специального устройства, названного сепаратором, выводящего остаточные быстрые ионы из пучка и выполненного в виде электродов определенной длины и конфигурации, размещенных за выходным сечением канала нейтрализации.

В отличие от известных источников быстрых нейтральных частиц предлагаемый источник обладает следующими преимуществами:

(1) практически полное устранение заряженной компоненты из выходного пучка;

(2) возможность установки минимальной величины напряжения на сепараторе, достаточного для его эффективной работы при заданных значениях энергии и заряда ионов и в то же время не вызывающего возникновения паразитных электрических разрядов между элементами конструкции и распыления электродов;

(3) возможность уменьшения распыления пластин сепаратора путем придания им специальной формы;

(4) возможность покрытия пластин сепаратора материалами, не взаимодействующими с ионами пучка;

(5) простота конструкции и эксплуатации.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлен источник быстрых нейтральных частиц.

На фиг.2 представлено сечение А-А (фиг.1) - вариант.

На фиг.3 представлено сечение А-А (фиг.1) - вариант.

На фиг.4 представлен многоканальный источник быстрых нейтральных частиц.

На фиг.5 представлен источник быстрых нейтральных частиц со сходящимся пучком.

На фиг.6 представлен источник быстрых нейтральных частиц с расходящимся пучком.

На фиг.7 представлен источник быстрых нейтральных частиц с наклонным каналом и сходящимся пучком.

На фиг.8 представлен источник быстрых нейтральных частиц с наклонным каналом и расходящимся пучком.

На фиг.9 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком.

На фиг.10 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.9) в плане.

На фиг.11 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.9) в плане.

На фиг.12 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком.

На фиг.13 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.12) в плане.

На фиг.14 представлен вариант геометрии электродов сепаратора (фиг.12) в плане.

На фиг.15 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками.

На фиг.16 представлен источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками.

Предлагаемый источник (фиг.1) содержит источник быстрых нейтральных частиц 1, описанный ранее [2] и заканчивающийся каналом нейтрализации 2, отрицательный (или заземленный) внешний электрод сепаратора 4, заземленный (или положительный) внутренний электрод сепаратора 7, установочные изоляторы 3 и 8.

В результате прохождения пучка быстрых частиц через канал сепаратора 5 ионная составляющая этого пучка 9 полностью отклоняется, и в результате на выходе из источника получается практически нейтральный пучок 6 быстрых частиц.

Источник работает следующим образом. Пучок быстрых частиц, выходящий из канала нейтрализации, попадает в канал сепаратора, в котором с помощью электродов определенной геометрии создано электрическое поле с сильной поперечной составляющей. В результате за время пролета канала сепаратора остаточные ионы, присутствующие в пучке, приобретают поперечную составляющую скорости.

При определенной геометрии сепаратора и разности напряжений на его электродах можно обеспечить такое отклонение траекторий остаточных ионов, чтобы все они перехватывались электродами. При заданных значениях длины электродов l и расстояния между электродами d напряжение, требуемое для удаления из пучка быстрых частиц ионов с кинетической энергией, соответствующей ускоряющему напряжению V, определяется формулой:

.

Придавая электродам сепаратора специальную форму, можно полностью устранить распыления пластин сепаратора.

В сечении А-А конструкция источника быстрых нейтральных частиц (фиг.1) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.2) или вытянутое сечение (фиг.3), что обеспечивает формирование нейтральных пучков различной пространственной протяженности.

Экспериментальные исследования предлагаемого источника быстрых нейтральных частиц были осуществлены при использовании источника, формирующего ленточный пучок. Длина канала сепаратора составляла 100-230 мм. При изменении напряжения на внешнем электроде от 0 до 150 В ионная составляющая выходного пучка уменьшалась практически до нуля. При использовании различных рабочих газов были достигнуты следующие скорости травления двуокиси кремния: 12 нм/мин (CF4), 8.0 нм/мин (C3F8), 15 нм/мин (SF6), а при использовании углеводородов (c-C6H5) получены скорости нанесения алмазоподобной пленки (АПП) и скорости травления АПП пучком кислорода до 40 нм/мин и 50 нм/мин соответственно.

Для улучшения равномерности выходного пучка предлагается многоканальная конструкция источника (фиг.4). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит несколько щелевых источников быстрых нейтральных частиц, снабженных электродами сепаратора 4 и 7. Конструкция позволяет улучшить равномерность выходного нейтрального пучка за счет перекрывания угловых диаграмм отдельных пучков, причем эффект зависит от расстояния источник - обрабатываемая поверхность.

Для фокусировки выходного пучка в некоторую область предлагается конструкция со сходящимся пучком (фиг.5). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонно направленный канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение сфокусированного нейтрального пучка 6 для повышения производительности процессов обработки, причем эффект фокусировки зависит как от угла наклона, так и от расстояния источник - обрабатываемая поверхность.

Для управления равномерностью обработки поверхностей сложного профиля предлагается конструкция с расходящимся пучком (фиг.6). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит канал нейтрализации с отрицательным наклоном и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка 6, причем эффект расфокусировки зависит как от угла наклона, так и от расстояния источник - обрабатываемая поверхность.

Для увеличения эффективности нейтрализации на стенках канала нейтрализации и фокусировки выходного пучка в некоторую область предлагается конструкция с наклонным каналом и электродами сепаратора и сходящимся пучком (фиг.7). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонный к направлению ионного пучка канал нейтрализации 2 и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Угол наклона может изменяться в диапазоне 0-15°. При таких углах резко возрастает эффективность нейтрализации ионного пучка на стенках канала, что существенно увеличивает коэффициент использования ионного пучка. Одновременно конструкция обеспечивает фокусировку выходного пучка, что повышает производительность обработки материалов.

Для увеличения эффективности нейтрализации на стенках канала и обработки поверхностей сложного профиля предлагается конструкция с наклонным каналом и электродами сепаратора и расходящимся пучком (фиг.8). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит наклонный от направления ионного пучка канал нейтрализации 2 и соосные с ним электроды сепаратора 4 и 7. Угол наклона может изменяться в диапазоне 0-15°. При таких углах резко возрастает эффективность нейтрализации ионного пучка на стенках канала, что существенно увеличивает коэффициент использования ионного пучка. Одновременно конструкция обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

Для обработки внутренних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком (фиг.9). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком и электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение радиально расходящегося нейтрального пучка 6 для обработки внутренних поверхностей объектов.

В плане конструкция источника быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимся пучком (фиг.9) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.10) или вытянутое сечение (фиг.11), что обеспечивает формирование нейтрального пучка 6 различной пространственной протяженности.

Для обработки внешних поверхностей объектов предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком (фиг.12). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком и электроды сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает получение радиально сходящегося нейтрального пучка 6 для обработки внешних поверхностей, например, перемещающегося вдоль оси стержня (фиг.13) или пластины (фиг.14).

В плане конструкция источника быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимся пучком (фиг.12) может иметь несколько вариантов, например круговое сечение (фиг.13) или вытянутое сечение (фиг.14), что обеспечивает формирование нейтрального пучка 6 различной пространственной протяженности.

Для равномерной обработки внешних поверхностей объектов предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками (фиг.15). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально сходящимися пучками 6 и электродами сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает равномерную обработку протяженных участков внешней поверхности различных объектов.

Для равномерной обработки внутренних поверхностей предлагается источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками (фиг.16). По сравнению с источником быстрых нейтральных частиц (фиг.1) эта конструкция содержит источник быстрых нейтральных частиц с радиально расходящимися пучками 6 и электродами сепаратора 4 и 7. Конструкция обеспечивает равномерную обработку протяженных участков внутренней поверхности различных объектов.

Литература

1. Revell P.J., Evans A.C. Ion beam etching using saddle field sources. Thin Solid Films, 1981, v.86, №2/3, p.117-124.

2. Маишев Ю.П., Шевчук С.Л., Терентьев Ю.П., Кудря В.П. Патент на изобретение №2395133 "Источник быстрых нейтральных частиц". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20 июля 2010 г. Приоритет изобретения от 10 марта 2009 г.

1. Источник быстрых нейтральных частиц, содержащий источник ионов с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов и нейтрализатор, выполненный в виде внешних и внутренних коаксиальных поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал нейтрализации определенной длины, сопряженный с замкнутой выходной щелью источника, отличающийся тем, что на нейтрализатор установлены электроды сепаратора, выполненные в виде поверхностей, образующих в совокупности щелевой канал сепарации определенной длины и ширины, сопряженный с замкнутой выходной щелью нейтрализатора, что обеспечивает полную нейтрализацию выходного потока частиц за счет изменения отношения длины щелевого канала сепарации к ширине его замкнутой выходной щели и регулирования напряжения, подаваемого на электроды сепаратора для отклонения ионов из пучка быстрых частиц.

2. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько щелевых источников быстрых нейтральных частиц, снабженных электродами сепаратора, что улучшает равномерность выходного нейтрального пучка за счет перекрывания угловых диаграмм отдельных пучков.

3. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонно направленный канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора, что обеспечивает получение сфокусированного нейтрального пучка для повышения производительности процессов обработки объектов.

4. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит канал нейтрализации с отрицательным наклоном и соосные с ним электроды сепаратора, что обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

5. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонный под углом (0-15)° к направлению пучка канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора, что увеличивает эффективность нейтрализации на стенках канала и фокусировку выходного пучка в некоторую область.

6. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит наклонный под углом (0-15)° от направления пучка канал нейтрализации и соосные с ним электроды сепаратора, что увеличивает эффективность нейтрализации на стенках канала и обеспечивает получение расходящегося нейтрального пучка.

7. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит источник быстрых нейтральных частиц с направленным вовне расходящимся пучком и электродами сепаратора, что обеспечивает получение радиально расходящегося нейтрального пучка для обработки внутренних цилиндрических (круглых, овальных или иных в основании) поверхностей объектов.

8. Источник по п.1, отличающийся тем, что содержит источник быстрых нейтральных частиц с направленным внутрь сходящимся пучком и электродами сепаратора, что обеспечивает получение радиально сходящегося нейтрального пучка для обработки внешних поверхностей объектов.

9. Источник по п.1, отличающийся тем, что в плане конструкция источника может иметь несколько вариантов, например, круговое сечение или вытянутое сечение, что обеспечивает формирование нейтральных пучков различной пространственной протяженности.

10. Источник по п.1, отличающийся тем, что электроды сепаратора покрыты материалом с малым коэффициентом распыления, что обеспечивает высокую степень чистоты выходного потока частиц.

11. Источник по п.7, отличающийся тем, что произвольное число отдельных щелевых источников с радиально расходящимися нейтральными пучками и электродами сепараторов объединены общим анодом, что обеспечивает, например, равномерную обработку протяженных участков внутренней поверхности различных объектов.

12. Источник по п.8, отличающийся тем, что произвольное число отдельных щелевых источников с радиально сходящимися нейтральными пучками и электродами сепараторов объединены общим анодом, что обеспечивает, например, равномерную обработку протяженных участков внешней поверхности различных объектов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к инжекционной технике, применяемой для создания мощных ионных пучков. .

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов.

Изобретение относится к области вакуумной электроники и может найти применение в технологических процессах, использующих протонные пучки, а также для сканирующей и просвечивающей протонной микроскопии.

Изобретение относится к источникам ионов, применяемых в ускорителях заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. .

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к технике создания источников ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц. .

Изобретение относится к генераторам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц. Заявленное изобретение характеризуется подачей на ускоряющий электрод ионно-оптической системы, размещенный между выходом пролетного канала и другим ускоряющим электродом, установленным в системе инжекции на выходе ионно-оптической системы, изменяющегося в процессе экстракции ионов электрического напряжения. Величина этого напряжения изменяется пропорционально изменению продольной составляющей импульса давления частиц, которое возникает в лазерной плазме в зоне, перед электродами системы инжекции. Предусмотрена также подача на ускоряющий электрод системы инжекции, установленный на выходе ионно-оптической системы, постоянного электрического напряжения для ускорения ионов. Техническим результатом является уменьшение разброса углового расхождения огибающей ионного пучка во время экстракции ионов, что способствует уменьшению величины эффективного эмиттанса этого пучка на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции, и увеличение захвата ионов, генерируемых лазерными источниками ионов. 3 ил.

Изобретение относится к области ионно-плазменного распыления, в частности к ионно-лучевому распылению мишеней для получения тонкопленочных проводящих, полупроводниковых и диэлектрических покрытий на движущихся или вращающихся подложках большой площади. Устройство ионного распыления содержит размещенные в вакуумной камере протяженный вдоль продольной оси О источник ионов с замкнутым дрейфом электронов с вертикальной осью Z, систему подачи газа, протяженную мишень, подложкодержатель и источник постоянного напряжения. Источник ионов имеет электрически соединенные верхний и нижний магнитопроводы замкнутой формы с соответственно верхним и нижним полюсными наконечниками катода, которыми ограничена выходная щель О-образной формы с протяженными участками, параллельными продольной оси О, а также размещенные в ограниченном внутренними поверхностями верхнего и нижнего магнитопроводов объеме анод замкнутой формы и магнитную систему в виде группы равномерно размещенных на протяжении источника ионов постоянных магнитов, причем анод расположен напротив выходной щели. Источник постоянного напряжения выводом с положительным потенциалом соединен с анодом, а заземленным выводом с отрицательным потенциалом - с магнитопроводами и мишенью. Мишень и подложкодержатель противолежат друг другу и размещены со стороны нижнего и верхнего полюсных наконечников катода соответственно, причем подложкодержатель закреплен с возможностью движения. Мишень выполнена в виде цилиндра и закреплена с возможностью вращения вокруг своей оси, которая параллельна продольной оси источника ионов О и пересекает его вертикальную ось Z. Поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными друг другу с наклоном к мишени, либо поверхности верхнего и нижнего полюсных наконечников катода и обращенная к ним поверхность анода выполнены параллельными вертикальной оси Z, причем верхний полюсный наконечник катода выступает в сторону вертикальной оси Z относительно нижнего полюсного наконечника катода, при этом угол α между лежащими в одной плоскости и пересекающими поверхность мишени в общей точке средней линией выходной щели на ее протяженном участке и нормалью к поверхности мишени выбран из интервала 50÷70°. Технический результат - снижение расхода материала мишени при ее равномерном эффективном распылении. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области ускорительной техники. Импульсный источник ионов гелия с холодными катодом и антикатодом состоит из соленоидальной катушки, надетой на немагнитную вакуумную камеру, внутри которой помещены катодный магнитный полюс с центральным углублением, катод из нержавеющей стали в виде плоского диска с центральным углублением в виде стакана, примыкающий к катодному магнитному полюсу, кольцевой анодный изолятор, анод в виде пустотелого цилиндра с кольцевой перемычкой в середине, выполненный из нержавеющей стали, антикатод в виде диска, выполненный из нержавеющей стали, по оси которого выполнено углубление с отверстием эмиссии в центре, своей выступающей частью вставленный в отверстие антикатодного магнитного полюса. На антикатоде выполнен кольцевой выступ, соосный с анодом и расположенный по направлению к аноду, диаметр выступа больше, чем диаметр стакана в катоде, но меньше, чем внутренний диаметр анода. Технический результат - стабилизации плотности разряда по оси отверстия ионной эмиссии. Устройство обеспечивает получение импульсного пучка ионов гелия при частоте импульсов 16-50 Гц, длительности импульсов синусоидальной формы по основанию импульса 100×10-6 с и амплитуде тока ионного пучка 80×10-3 А. 1 ил.

Изобретение относится к источникам газовых ионов, применяемых в ускорителях заряженных частиц. Дуоплазматронный источник газовых ионов состоит из соосно расположенных: катода, промежуточного электрода с отверстием и анода с отверстием эмиссии. Между анодом и промежуточным электродом размещен трубчатый металлический цилиндр, один торец которого закреплен на промежуточном электроде, а противоположный торец перекрыт диафрагмой с отверстием, площадь которого выбирают меньше площади внутренней поверхности трубчатого металлического цилиндра как отношение корня квадратного удвоенной массы электрона к корню квадратному массы иона рабочего газа. Технический результат - увеличение фазовой плотности тока инжектируемого ионного пучка. 1 ил.

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для очистки и полировки поверхностей объектов; для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов; для ассистирования процессов нанесения пленок инертными и химически активными частицами

Наверх