Источник быстрых тяжелых атомов

(Я) Н 05 НЗ 00 ЗОБРЕГЕНИЯ ТУ 2имплантации ионов (атомориалов. Сущность: применещейся плазмой в качествежелых атомов. Изобретенишение мощности источниканов (атомов) для ионнойуниверсальности источника,зовать любой сорт атомов,быстрых атомов без приратороа 1 ил. е Комитет Российской Федерации по патентам и товарньпм знакам(71) Институт ядерной физики СО РАН(73) Институт ядерной физики СО РАН(54) ИСТОЧНИК БЫСТРЫХ ТЯЖЕЛЫХ АТОМОВ(57) Использование: в электрофизике, в частностисистемах служащих для получения потоков быстрых тяжелых атомов, используемых, например, для) в поверхность матение ловушки с вращаю- источника быстрых тяе обеспечивает повыбыстрых тяжелых иоимплантации, повышениепозволяющего испопьи чистоты получаемых менения каких-либо сепа 2004081Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, слу,кащим для получения потоков быстрых тяжелых (е 1) атомов с энергией 20-500 кВ, используемых, например, для имплантации ионов(атомов) в поверхность материалов, Известны устройства, предназначенные для получения потоков быстрых тяжелых ионов для имплантации, состоящие из ионного источника и устройства для их ускорения (ускорителя тяжелых ионов) (1 ),В таких устройствах затруднено получение достаточно мощных потоков тяжелых ионов, во-первых, из-за недостаточной интенсивности ионных источников тяжелых ионов, во-вторых, из-за ограничений экстрагируемого тока ионов, связанных с обьемн ым зарядом этих ионов, Для цилиндрического пучка в соответствии с за 20коном Чайлдса Лангмюра максимальноезначение этого токап А)=19(Ауц)" О ра)з" 59(1+1 7 У)где А/ц - отношение массы к заряду, ат,ед.; 25 0 - ускоряющее напряжение; З=гй - отношение радиуса выходной апертуры пучка к размеру экстрагирующего промежутка, Для 5-0,5, гл=40 и 0=25 кВ этотток равен 6,5 вА, реальные значения этого тока обычно на З 0 порядок ниже.В подобных устройствах затруднена смена вида ионов. Обычно смена вида ионов, если это ионы металлов или каких- либо твердых веществ, требует полной за- З 5 мены ионного источника, Следует отметить, что в источниках металлических ионов используются высокотемпературные печи, что также затрудняет работу с источником. Не для всех видов ионов имеются разработан ные источники ионов. В большинстве подо; бных устройств для очистки пучка ионов от примесей используются специальные магнитные сепараторы, заметно усложняющие конструкцию устройства. 45Прототипом источника быстрых ионов для имплантации является источник, описанный в2 ).Целью изобретения является повышение мощности источника быстрых тяжелых ионов(атомов) для ионной имплантации, повышение универсальности источника, позволяющего использовать любой сорт атомов, повышение чистоты получаемых быстрых атомов беэ использования каких-либо сепараторов.Цель достигается применением магнитной ловушки со скрещенными магнитным и электрическим полями. в которой реализуется разряд с образованием тяжелых ионов, впервые в качестве источника быстрых тяжелых атомов, что соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".На чертеже изображена магнитная ловушка со скрещенными. электрическим и магнитным полями, или ловушка с вращающейся. плазмой (ЛВР).На чертеже 1-катушки электромагнита, 2-вакуумная камера, За - внутренний лайнер - катод, Зб - внешний лайнер - анод, 4 -торцовые электроды, 5- проходной изолятор, б - система высоковольтного питания, 7 - патрубок вакуумной откачки, 8 - вакуумный шибер, 9-локальная перезаряднэя мишень, 10 - образец.Такие ловушки используются для получения и удержания горячей водородной плазмы, В такой системе при выполнении ряда условий образуется плазма, состоящая из ионов, которые образуются за счет ионизации распыленных атомов катодного электрода. Ионы,. образовавшиеся вблизи анода, ускоряются радиальным электрическим полем и движутся по циклоидальным траекториям, достигая максимальной энергии вблизи катода. Падающие нэ катод ионы образуют за счет процесс самораспыления поток нейтральных атомов, поддерживающих баланс частиц в разряде. Перезарядив-. шиеся вблизи катода ионы уходят в виде нейтральных атомов в радиальном направлении (веерный поток). Плазма в атом разряде имеет вид плоского диска шириной 2-5 см, радиальный размер плазмы совпадает с размером наружного лайнера, поэтому уходящие атомы движутся перпендикулярно оси ловушки с очень небольшой угловой расходимостью. Полный ток этих атомов(эквивалентный ток) порядка 100 А в импульсах длительностью 2 - 5 10 с. Энергия этих атомов равна энергии ионов в момент перезарядки и по порядку величины определяется полным напряжением, приложенным к разряду (10 - 40 кэВ). Могут существовать как импульсный, так и непрерывный режимы работы этой системы.Условия, необходимые для образования потока быстрых атомов в подобной ловушке, следующие: на центральный электрод подается отрицательный потенциал, коэффициент сэмораспыления для ионов, падающих на катод, больше единицы, для большинства металлов это эквивалентно тому, что полный потенциал между анодом и катодом должен быть не менее 10 - 20 кВ (в зависимости от вида ионов), в плазме должны присутствовать нейтральные атомы, на которых идет перезарядка тяжелых ионов, или локальная перезарядка мишень (струя(56) 1. Ефремов АЛ, и др. Известия ВУЗОВ, физика %5. (89),326.2. Я,ОсЬзпег, А.Коце, Н.йуззе, Носеагпзбг. аль МеФЛп Рпузсз Йезеагсп. В.37/38 (1939), 504-507. 40 Формула изобретенияПрименение ловушки с вращающейся45 газа, например) для формирования направленного потока атомов,Следует обратить внимание на две особенности ЛВП,5Практически во всех плазменных установках, где создается магнитно- удеркиваемая плазма с достаточно высокойтемпературой, присутствуют ионы с гп 1,т.н. тяжелые примеси, Однако обычно энергия этих примесей достаточно низка (меньше или порядка энергии ионов водорода),поскольку их нагрев осуществляется за счетстолкновений с ионами водорода, В ЛВПнагрев всех ионов идет в скрещенных алектрическом и магнитном полях, поэтомуэнергия ионов (за достаточно короткое время жизни инов в разряде) определяется скоростью вращения плазмы Че=с Е/Н (Е и Н- напряженность электрического и магнитного полей, с - скорость света) и равна внижней точке траектории а 1(2 Че) /2, такимобразом энергия тяжелых ионов в Мерраз больше энергии ионов водорода,25:Несмотря на необходимость предвзрительного (поджигающего) разряда на водороде при переходе разряда в режим сраспылением тяжелых инов плотностьплазмы возрастает от 10 до 3 10 " см, 30т.е. вклад водорода в поток быстрых ионовдостаточно мал. При необходимости дляподжига можно использовать другие газы,например гелий.Подобная установка может использоваться помимо имплантации для других технологических целей, например таких, какочистка поверхности или полировка(распыление микронеровностей), а также для научных исследований.Существенными преимуществами установки, работающей на описанном выше методе в качестве имплантера, являются высокая скорость обработки материала, до 100 см/с, при оптимальных флюенсах (1-3 1017 ч/см ), что обусловлено тем, что вывод пучка быстрых частиц из плазмы осуществляется в атомарном виде (нет влияния эффектов обьемного заряда на фокусировку пучка), нет никаких ограничений на величину выводимого эквивалентного тоха: возможнЪсть использования для имплантации любых атомов таблицы элементов (в том числе любые металлы й газы). причем для металлов смена вида атомов производится, зпример, путем передвижения сменных катодов в область разряда, что может быть выполнено беэ нарушения вакуума; возможность легко регулировать энергию быстрых частиц (ионов), изменяя либо напряжение на разряде, либо напряженность магнитного поля; отсутствие какой- либо фоновой радиации, так как энергия электронов не превышает 200-500 эВ, экологически чистая система; воэможность получения достаточно чистых пучков без использованиякаких-либоустройствдля сепарации пучков за счет того, что в процессе саморзспыления участвует лишь один вид атомов и ионов. плазмой в качества источника быстрых тяжелых атомов.Редактор Т,Юрчиков кто симищинец Заказ 332 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035. Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 Оизводств здательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1