Способ генерации в ионном источнике двухкомпонентного потока ионов газа и металла

(и) 200 1 г 7 гг ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К ПАТЕНТУ ники СО РАНЕМ.; Цанин П.М.; О РАНИСТОЧКА ИОтехника, гического об вклюе контраействием ийся под отенциал увеличиСпособ обеспечивает лировки долевого соо Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Институт сильноточной электро(73) Институт сильноточной электроники С(54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ В ИОННОМНИКЕ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ПОТОНОВ ГАЗА И МЕТАЛЛА(57) Использование: ионно-плазменнаяразработка ионных источников технолоназначения. Сущность изобретения: спосчает образование газовых ионов в плазмгированного разряда с последующим воздих на металлический электрод, находящотрицательным потенциалом. Затем иэлектрода и ток контрагирования разряда вают до образования на электроде катодного пятна вакуумной дуги и устанавливают ток вакуумно дуги 1, величину которого определяют из соотношения Д1:ахи /(1-тт), где а - коэффициент, зависящий Д Кот рода используемого газа и материала электрода, 1 - ток контрагированного разряда, тт - заданная Кдоля металлического компонента в ионном потоке. Коэффициент а предварительно определяют путем измерения доли и металлического компонента воионном потоке при фиксированных значениях токов контрагированного разрядаи вакуумной дугиК Д о о и вычисления из соотношения а=3 (1-тт )/ттд о око орасширение диапазона регутношения компонентов 3 ил.1 д Гх 7) 1 к/( 1 )/ ),Изобретение относится к ионно-плазменной технике и может быть использовано при разработке ионных источников технологического назначения.Известен способ генерации двухкомпонентного потока ионов газов и металлов на основе использования контрагированного разряда газов и металлов на основе использования контрагированного разряда, В данном способе ионы газа генерируются в контрагированном разряде. Часть газовых ионов ускоряется в поле замещенного в плазму распыляемого металлического электрода и бомбардирует его поверхность, обеспечивая при этом поступление в плазму атомов металла и их последующую иониэацию интенсивным электронными потоком, Таким образом в плазме такого разряда образуются газовые и металлические ионы, обуславливающие при отборе частиц формирование двухкомпонентного ионного потока, Компонентный состав ионного потока определяется выбором рода рабочего газа и материала распыляемого электрода, Долевое соотношение компонентов регулируется величиной тока контрагированной дуги и расходом рабочего газа, а также отрицательным, относительно плазмы контрагированного разряда, потенциалом распыляемого электрода, определяющим энергию бомбардируемых ионов, а следовательно, и коэффициент распыления.Недостатком данного способа является ограниченность диапазона регулировки долевого соотношения компонентов ионного потока. Это связано с тем, что генерация металлических ионов предполагает обязательное существование и газовых ионов, необходимых для распыления. Поскольку напряжение между плазмой и распыляемым электродом ограничено пробоем ионного слоя, это накладывает ограничения на величину ускоряющего ионы напряжения и, соответственно, на коэффициент распыления. Указанные недостатки не позволяют в устройствах, реализующих данный способ, регулировать долю металлического компонента ионного потока более 50, Это, в свою очередь, значительно ограничивает возможности использования данного способа в ионно-лучевой технологии,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ генерации двухкомпонентного потока ионов газов и металла в ионном источнике на основе контрагированного разряда и вакуумной дуги, Способ включает образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда и последующее воздействие их на металлический электрод, находящий 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ся под отрицательным относительно плазмы потенциалом, приводящее к образованию на металлическом электроде катодного пятна вакуумной дуги, обеспечивающего металлический компонент ионного потока, Недостатком данного способа является отсутствие зависимости между требуемой величиной доли металлического компонента в ионном потоке и значениями токов контрагированного разряда и вакуумной дуги.Укаэанный недостаток устраняется в известном способе генерации двухкомпонентного потока ионов газа и металла включающем образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда и последующее их воздействие на металлический электрод, находящийся под отрицательным, относительно плазмы потенциалом, приводящее к образованию на металлическом электроде катодного пятна вакуумной дуги, согласно изобретению ток вакуумной дуги 1 о устанавливают из соотношения где 1 - ток контрагированного разряда, у - заданная доля металлического компонента в ионном потоке,а- коэффициент, эависящий от рода газа и материала электрода, определяемый путем измерения доли металлического компонента в ионном потоке у о при фиксированных значениях токов контрагированного разряда 1 м и вакуумной дуги 1 оо из соотношения гХ = 1 Яо(1 - Ц о) / У) о 11 со Предлагаемый способ отличается от прототипа возможностью выбора по установленной зависимости требуемого значения тока вакуумной дуги при заданных величинах доли металлического компонента в ионном потоке и тока контрагированного разряда,Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем, Получение двух- компонентного потока ионов в заявляемом способе осуществляется в результате одновременной реализации двух форм дугового разряда: контрагированной и вакуумной дуг. В первом случае обеспечивается эффективная генерация ионов напускаемого в область горения разрядов рабочего газа, во втором - ионов металла материала электрода, поступающих в область токоотбора иэ катодного пятна, Выбор соответствующего рода рабочего газа и материала электрода определяет компонентный состав ионного5 10 15 20 25 30 1 я =- гс 1, Ч/( 1 - Ч ),35 40 45 50 чины )и зиционно образце м ного рассе ний приве потока, Регулировка токов разрядов по полученной зависимости обеспечивает необходимое долевое соотношение компонентов в ионном пучке, Поскольку образование металлических ионов в предложенном способе обеспечивается функционированием катодного пятна и непосредственно не связано с необходимостью генерации газовых ионов, это существенно расширяет диапазон регулировки долевого соотношения компонентов.Ионный источник, реализующий данный способ, представлен на фиг,1. Он содержит катод 1, промежуточный электрод 2 с вставленным в него центральным металлическим электродом 3, в котором выполнено контрагирующее отверстие, полый анод 4, закрытый с одного торца металлической сеткой 5. и коллектор б, Между катодом 1 и анодом 4 подключен источник питания контрагированного разряда 7, а между промежуточным электродом 2 и анодом 4 подключен источник питания вакуумной дуги 8. Предлагаемый способ регенерации в иойном источнике двухкомпонентного потока ионов газа и металлов с заданным долевым соотношением компонентов осуществляется следующим образом, При подаче напряжения от источников питания 7, 8 и необходимого расхода рабочего газа между катодом 1 и анодом 4 зажигается дуговой разряд, контрагированный отверстием в металлическом электроде 3. На входе отверстия при этом образуется двойной электростатический слой, в котором ускоряются поступающие из катодной области электроны, Совмещение потоков высокоэнергетичных электронов и нейтральных частиц рабочего газа приводит к эффективной регенерации в области контрагирования и анодной части разряда газовых ионов. При повышении концентрации плазмы за счет увеличения тока контрагированного разряда и напряжения между электродом 3 и плазмой на выходе отверстия на металлическом электроде 3 под плазмой контрагированного разряда, в месте ее наибольшей концентрации (вблизи отверстия), возбуждается катодное пятно, ток которого поддерживается источником питания 8, Существование катодного пята обеспечивает поступление в анодную область металлических ионов. Как показали испытания, контрагированнный разряд не только способствует возбуждению катодного пятна, но и оказывает стабилизирующее влияние на горение вакуумной дуги. Особенно это сказывается при токах разряда, близких в пороговому току, при котором на данном материале может образоваться катодное пятно, В свою очередь протекание тока нейтральных частиц в области функционирования катодного пятна приводит к их ионизации, что увеличивает степень использования рабочего газа в данном способе.Таким образом, одновременное горение двух форм дугового разряда обеспечивает генерацию плазмы, содержащую два компонента ионов - газовых и металлических, При приложении ускоряющего напряжения между анодом 4 и коллектором 6 с плазменной поверхности стабилизированное сеткой 5, происходит отбор ионов, При этом формируется двухкомпонентный ионный поток, включающий в себя ионы газа и металла, Долевое соотношение компонентного потока определяется соответствующим соотношением концентраций газовых и металлических ионов в плазме. Концентрация газовых и металлических ионов, как в любом разряде низкого давления, прямо пропорциональна величинам токов контрагированной и вакуумной дуг соответственно Коэффициенты пропорциональности зависят от рода рабочего газа и материала электрода, Исходя из вышеизложенного, а также на основе проведенных исследований, нами получено соотношение, связывающее величину тока вакуумной дуги 1 л с током контрагированного разряда 1 при заданной доле металлического компонента в ионном потоке д: Поскольку при одновременном горении двух разрядов существенное значение имеет из взаимовлияние на условия генерации металлической и газовой плазменных компонентов, то входящий в приведенное соотношение коэффициент а, отражающий эту сложную взаимосвязь, определяется опытным путем. Как показали наши исследования, коэффициент зависит от рода используемого газа и материала электрода, на котором возбуждается катодное пятно. Величина гх определялась путем измерения доли металлического компонента то в ионном потоке при фиксированных значениях токов контрагироеанного разряда 1 ко и вакуумной дуги 1 до из соотношения: Для определения велипользовались измерения эксг 1 о дозы в облучаемом ионам одом Резерфордовского обре ния (РОР). Результаты измереены на фиг,2 и 3,2001463 гистрировдлдсь в результате интегрирования профиля распределения, Ошибка измерения интегрального содержания тантала и аргона в имплантировднном слое кремния, выполненная методом сравнения со вторич 1 г ным РОР стандартом, составила 10 ион/см при измеряемой дозе 5 10 - 10г т 17 ион/см, С использованием приведенногогсоотношения по определению коэффициента а расчет дает длл пары аргон-тантал величину коэффициента а =. 6,6, Как показали наши исследовднил, значение коэффициента а остается неиз;:1 енным в широком диапазоне изменения доли металлического компонента в общем ионном потоке.С учетом полученного значения коэффициента о, не привлекая трудоемких калибровочных измерений, определлем длл заданного значения )у необходимую величину тока катодного пятна вакуумной дуги, Гдк, например, при токе контрдгированного разряда в аргоне 10 А и заданной доле металлического компонента 1 = 0,25, согласно соотношение, вычисляем ток вакуумной дуги нд танталовом электроде, равный66025 10 20 А0 7 С использованием методики РОР нами также определено значение коэффициента гс для пэры азот-титан, которое составляет 6,9 (см,фиг,3),При реализации предложенного способа возможна регулировка доли металлического компонента в общем ионном потоке в диапазоне от 0,05 до 0,95, Следует отметить, что нижний предел регулировки ограничен пороговым током возникновения кдтодного пятна, д верхний - минимальным расходом рабочего газа и величиной тока контрдгированного разряда, необходимыми длл инициирования катодного пятна вакуумной дуги,(56) Кеег Я Беаэе А, поэе 9 аз диоразгпдтгоп Гог Йе 10 п 1 А Вапце. Басатоп ЕГГестз. 1979, ч, рр.201-206.Бугаев С.П, и др. Источник ионов на основе контрдгированного разряда и вакууммной дуги, И Всесо 1 ознал конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, Тезисы докладов, Харьков, 1989,с,143 - 144.о формула изобретения СПОСОБ ГЕНЕРЛЦИИ В ИОННОМ ИСТОЧНИКЕ55 ДВУХКОМПОНЕНТНОГО Г 1 ОТОКА ИОНОВ ГЛЗА И метлллА, включающий образование газовых ионов в плазме контрагированного разряда и последующее воздействие ими П р и м е р. Предложенный способ реализован в ионном источнике, схематично представленном на фиг,1, Разряд между катодом 1 и анодом 4 контрагировался отверстием 04 мм в электроде 3, запрессованном в промежуточном электроде 2, Отбор ионов осуществляется с плазменной поверхности, стабилизированной сеткой 5, Межу анодом 4 и коллектором б приложено ускорл 1 ощее напряжение, Ток контрагированного разряда регулировался источником питания 7, Отрицательное смещение на электрод 3 подавалось от отдельного источника питания 8, подключенного между электродом 3 и анодом 4. Так как потенциал плазмы близок к потенциалу анода 4, то отрицательный потенциал электрода 3 относительно анода 4 практически совпадает с потенциалом этого электрода относительно плазмы. При горении контрагированного разряда в анодной области образуются ионы используемого газа. Поскольку потенциал электрода 3 ниже потенциала плазмы, то ионы, ускорллись в слое, отделящем плазму от электрода 3, попадают на его поверхность,увеличивая ток контрагировднной дуги с помощью источника питания 7 и увеличивая отрицдтельный потенциал электрода 3 посредством источника питания 8, добиваемся возникновения на электроде 3 катод- ного пятна вакуумной дуги, По резкому снижению напряжения на выходе источника питания 8 и, соответственно, резкому повышению тока этого источника судим об образовании катодного пятна. В наших экспериментах для зажигания катодного плтна ток контрагированного разряда составил (3 - 5) А, при этом концентрация плазмы в области отверстия достигала 10 см, а напряжение 1000 В. Г 1 осле образования катодного пятна напряжение на прол 1 ежутке электрод 3 - анод 4 снизилось до величины (60 - 80) В.На фиг.2 представлены результаты измерений профиля распределения имплантированных ионов дргонд и тантала, на фиг.3 - азота и титана в кремниеву 1 о мишень, проведенных методом РОР для ионов гелия (Е = 1,8 МэВ, О = 170), Величины токов контрагированного разрлда и вакуумной дуги составляли при этом 20 и 70 А соответственно. Экспозиционная доза ре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 на металлический электрод, находлщийся под отрицательным относительно плазмы потенциалом, и увеличение тока контрагированного разряда до образования на металлическом электроде катодного плтна вакуумной дуги, отличающийся тем, что ве 2001463 Оличину тока вакуумной дуги д выбирают иэ соотношения9 = а Ю 1(1-Ю),где- ток контрагированного разряда;л - заданная доля металлического компонента в ионном потоке;а - коэффициент, зависящий от рода используемого газа и материала электрода, который предварительно определяют. путем измерения доли до металлического компонента в ионном потоке при фиксированных значениях 5 токов контрагированного разряда к,ои вакуумной дуги д,о и вычисления иэ соотношения= д.о (ф 1 о )Чо к.о.2001463 фее( Од 70Р 74 б, МЯВ уйти. 8 В ав 7 Я 74 Фи Составитель Т, Бычк Техред М.Моргентал Корр В. Петраш Редактор Н, Семено аказ 313 Тираж Подписное НПО " Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101