Способ нерпрерываемого производства пучка ионов карборана с постоянной самоочисткой ионного источника и компонент системы экстракции ионного имплантатора

Изобретение относится к области очистки поверхностей газонаполненных разрядных приборов в процессе покрытия материалов ионами, вводимыми в разрядное пространство. Технический результат - увеличение производительности установки. В ионизационную камеру подают рабочее вещество на основе карборана и сильные окислители, которые вступают в химическую реакцию с продуктами, загрязняющими систему экстракции ионов и/или внутреннюю поверхность ионизационной камеры и/или ее компонент, с образованием летучих соединений. В качестве рабочего вещества используют карборандикарбоновую кислоту (C₄H₁₂B₁₀O₄), в которой атомы сильных окислителей включены в молекулу рабочего вещества. Сильные окислители, при электрическом разряде, высвобождаясь из молекулы рабочего вещества, вступают в химическую реакцию с продуктами, загрязняющими систему экстракции ионов и/или внутреннюю поверхность ионизационной камеры и/или ее компонент, с образованием летучих соединений, образующиеся летучие соединения удаляют вакуумной откачкой. 3 ил.

 

Изобретение относится к области очистки поверхностей газонаполненных разрядных приборов от адсорбентов, возникающих при ионизации рабочего вещества в электрическом разряде, и может быть использовано в технологиях, ионного напыления, имплантации и легирования поверхности материалов. Так постоянно ведутся работы в направлении миниатюризации полупроводниковых приборов. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов обуславливает необходимость использования ионных пучков низкой энергии, на уровне от нескольких сот электрон-вольт до одного кило-электрон-вольта.

Известно, что при уменьшении величины электрического напряжения на электродах в системе ионной экстакции инжекторов заряженных частиц, из-за действия собственного объемного электрического заряда в потоке заряженных частиц, уменьшается величина плотности (интенсивности) ионного тока на выходе инжекторов. Зависимость изменения плотности ионного тока от величины электрического напряжения на электродах экстракции описывается широко известным законом Чайлда-Ленгмюра. Согласно этому - уменьшение величины электрического напряжения экстракции приводит к снижению производительности имплантера.

Одним из способов обойти эти негативные явления, особенно существенные, для ионных пучков с низкой энергией, требующихся в ряде технологических процессов, является использование многоатомных молекулярных ионов, содержащих повышенное количество рабочего вещества при малом суммарном электрическом заряде.

Однако, при получении таких ионов в электрическом разряде, формируемом в парах рабочего вещества, продукты разложения этого вещества могут адсорбироваться на стенках разрядной камеры в источнике ионов, частично перекрывая его отверстие экстракции, что приводит не только к уменьшению величины тока ионов в пучке на выходе ионного имплантера, но и к потере однородности распределения ионов по сечению пучка. Для предотвращения данного явления, негативно влияющего на процесс имплантации и напыления ионов, требуется поддерживать рабочее состояние отверстия экстракции в источнике ионов путем очистки электродов его разрядной камеры. Дополнительной очистки от продуктов разложения рабочего вещества требуют и электроды в системе экстракции ионного пучка имплантера.

Наиболее близким к предлагаемому способу очистки по совокупным признакам является физико-химический способ очистки (выбранный за прототип - Международная заявка №WO 2011041223 (А1), МПК С23С 14/56; H01J 37/08; H01J 37/16; H01J 37/31; опубликовано 7 апреля 2011), заключающийся в том, что в разрядную камеру ионного источника без его развакуумирования, вводят дополнительно специальные вещества, являющиеся сильными окислителями или их химические соединения, способные вступать в химическую реакцию с осевшими на стенках продуктами развала молекулы рабочего вещества, образуя с ними летучие соединения, которые затем удаляются путем вакуумной откачки ионного источника.

Данный процесс может проводиться как с остановкой работы ионного имплантера, так и в непрерывном режиме генерации рабочих ионов.

В случае очистки камеры с полной остановкой работы имплантера, недостатком является увеличение времени имплантации и, как следствие, снижение производительности данной установки.

Недостатком метода, в случае очистки камеры источника ионов путем напуска сильного окислителя одновременно с процессом генерации пучка рабочих ионов, является другой фактор. Поскольку стабильная работа источника ионов обеспечивается при фиксированной величине рабочего давления (суммарного количества молекул вещества) в разрядной камере, то, в извлекаемом их ионного источника ансамбле заряженных частиц, наряду с ионами рабочего вещества содержатся ионы введенного сильного окислителя, что приводит к уменьшению содержания рабочих ионов в пучке. Данный фактор негативно сказывается на процессах имплантации, ионного напыления и легирования, поскольку уменьшается производительность установки. При таком методе очистки, для достижения необходимой производительности ионного имплантера требуется увеличивать интенсивность извлекаемого ионного пучка, что нивелирует выигрыш от использования молекулярных ионов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения (его целью) является разработка способа непрерывной очистки поверхности электродов источника ионов и системы экстракции ионов от продуктов разложения рабочего вещества в имплантере ионов карборана (C₂B₁₀H₁₂), а именно углерода, без уменьшения величины плотности тока ионов карборана на выходе данного имплантера, способствующего увеличению его производительности.

Поставленная цель достигается тем, что в ионизационную камеру источника ионов подают в качестве рабочего вещества 1,7-м-карборандикарбоновую кислоту (C₄H₁₂B₁₀O₄) и/или 1,2-о-карборандикарбоновую кислоту (C₄H₁₂B₁₀O₄), которые в процессе ионизации разлагаются на ионы карборана (C₂B₁₀H₁₂) и углекислоту (CO₂), являющеюся сильным окислителем углерода (С+CO₂ -> 2СО, реакция Будуара-Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. М., Химия, 1997.), образующей летучие соединения с адсорбированными на стенках источника ионов и электродах системы экстракции ионов продуктами разложения рабочего вещества, которые затем удаляют вакуумной откачкой.

Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что при использовании в качестве рабочего вещества в имплантере ионов именно предложенных элементов, образование ионов карборана происходит в электрическом разряде в источнике ионов одновременно с образованием ионов сильного окислителя, использующегося для самоочистки электродов источника ионов и системы эестракции ионов, непрерывно с процессом экстракции из имплантера ионов карборана.

На фиг.1. представлена схема, поясняющая работу имплантера ионов карборана в котором реализован предлагаемый способ самоочистки ионного источника и компонент системы экстракции ионов.

Имплантор ионов карборана работает следующим образом. В объем ионизационной камеры, включающей в себя катод 1, антикатод 2 и анод 3, через паропровод 4 подается рабочее вещество 5 в газообразном состоянии. В предлагаемом изобретении используется как рабочее вещество, хорошо известное химическое соединение - 1,7-м-карборандикарборановая кислота (C₄H₁₂B₁₀O₄), содержащая как карборан, так и кислород, являющийся сильным окислителем. В ионизационной камере происходит ионизация рабочего вещества 5 в электромагнитном поле, создаваемом в результате разницы электрических потенциалов между катодом/антикатодом, с одной стороны, и анодом, с другой стороны, и магнитным полем, создаваемым магнитом М, силовые линии которого показаны на фиг.1. Таким образом в ионизационной камере источника ионов образуется плазма 6. В ходе ее образования, помимо ионизации рабочего вещества с последующим формированием ионного пучка 7 системой экстракции 8, происходит частичная диссоциация молекул рабочего вещества 5 с осаждением на поверхности ионизационной камеры (катода 1, антикатода 2 и анода 3) продуктов развала его молекулы 9, а именно - углерода. В свою очередь, в результате диссоциации молекулы рабочего вещества 5, происходит высвобождение молекул углекислоты (СО₂), входящей в состав данной молекулы (C₄H₁₂B₁₀O₄ -> C₂B₁₀H₁₂+CO₂ - Мищенко Г.Л., Вацуро К.В. Синтетические методы органической химии. М., Химия, 1982.). Эти молекулы вступают в химическую реакцию с продуктами диссоциации 9, осажденными на поверхностях ионизационной камеры (катода 1, антикатода 2 и анода 3), образуя летучие соединения в виде СО. Образовавшиеся летучие соединения удаляются из объема ионизационной камеры в результате непрерывно ведущейся вакуумной откачки. Таким образом, достигается непрерывная самоочистка объема ионизационной камеры.

При экспериментальной проверке данного изобретения, как упоминалось выше, в качестве рабочих веществ использовались, 1,7-м-карборандикарбоновая кислота (C₄H₁₂B₁₀O₄) и хорошо известная 1,2-о-карборандикарбоновая кислота (C₄H₁₂B₁₀O₄).

На фиг.2. представлено состояние разрядной камеры источника ионов в имплантере после работы на чистом карборане (C₂B₁₀H₁₂).

На фиг.3 представлено состояние разрядной камеры источника ионов после того, как в качестве рабочего вещества применялась 1,7-м-карборандикарборановая кислота (C₄H₁₂B₁₀O₄). Аналогичная картина наблюдалось при использовании в качестве рабочего вещества в источнике ионов 1,2-о-карборандикарбоновой кислоты.

Экспериментальная проверка показала, что применение предложенного в изобретении способа самоочистки ионного источника и электродов системы экстракции ионов позволило увеличить производительность имплантера ионов карборана, по сравнению с аналогом, не менее 5 раз, за счет увеличения времени работы источника без потери качества генерируемого ионного пучка.

Способ непрерываемого производства пучка ионов карборана с постоянной самоочисткой ионного источника и системы экстракции ионного имплантера, заключающийся в том, что в ионизационную камеру источника ионов подают рабочее вещество на основе карборана и вещества, являющиеся сильными окислителями, такие как кислород или его химические соединения, которые вступают в химическую реакцию с продуктами, загрязняющими систему экстракции ионов и/или внутреннюю поверхность ионизационной камеры и/или ее компонент, с образованием летучих соединений, отличающийся тем, что в ионизационную камеру подают рабочее вещество на основе карборана, а именно карбондикарбоновую кислоту (C₄H₁₂B₁₀O₄), в котором атомы сильного окислителя, кислорода, включены в молекулу рабочего вещества и в электрическом разряде, высвобождаясь из рабочего вещества, вступают в химическую реакцию с продуктами, загрязняющими систему экстракции ионного имплантера и внутреннюю поверхность ионизационной камеры источника ионов, с образованием летучих соединений, удаляемых при помощи вакуумной откачки.