Материал: 1381

76

Рисунок 3.21 - Схемы плазменных источников ионов; а) – источник ионов газов, б) – источник газометаллических ионов, в) – монокасповый источник Пенинга.

Плазменный источник (рис. 3.21 а) состоит из рабочей камеры, в которой располагаются катод (K) и анод (А). При обеспечении давления в камере на уровне 0,1-1 Па и подаче напряжения (Uвр ~ 600 В) в системе возбуждается разряд и генерируется плазма. Магнитное поле, создаваемое магнитами (NS) способствует закручиванию электронов в магнитном поле. Это увеличивает путь электронов и способствует ионизации напускаемого газа. Ионизации способствует также напряжение на отражательном электроде (Uоэ). Ионы извлекаются с помощью извлекающего электрода – экстрактора с напряжением -U.

В источнике газометаллических ионов (рис. 3.21 б) отрицательный потенциал подается на мишень (М). Ионы из плазмы разряда устремляются на мишень и бомбардируют ее. Из мишени выбиваются атомы металла и ионизируются. Ионы металла мишени и ионы напускаемого газа извлекаются с помощью извлекающего электрода.

Источник в) отличается обострением магнитного поля. (Касп – обостритель англ.). Сосредоточение магнитного поля в области извлекающего электрода способствует более активному движению электронов вокруг магнитных силовых линий. Это позволяет увеличить ионный ток.

Широкоапертурные ионные источники

На рис. 3.22 представлены широкоапертурные ионные источники, получившие широкое распространение в технологических целях. Диаметр пучка на мишени достигает 200 мм.

77

Рисунок 3.22 - Схемы широкоапертурных источников ионов; а) – источник КАУФМАН, б) – источник типа ПИГАТРОН, в) – дуопигатрон.

Источник ионов типа Кауфман (рис.3. 22 а), названный по имени автора (H.R. Kaufman), содержит накаливаемый катод (K) и аноды (А1, А2), расположенные между магнитными секциями. При обеспечении в источнике давления 0,1 Па и подаче ионообразующего газа (в частности аргона), между анодами А1 и А2 зажигается вакуумный дуговой разряд низкого давления. Электроны, эмитируемые из катода, способствуют дополнительной ионизации газа. Ионы проходят термический нейтрализатор (Н) пространственного заряда.

Пигатрон. На рис.3.22 б) представлен источник многозарядных ионов и ионов металлов типа Пигатрон. В основу конструкции источника положена идея вакуумного манометра Пеннинга (Penning Ionisation Gauge

–PIG). Два катода размещены напротив кольцевого анода в осевом магнитном поле, образованном магнитами NS. Между катодом и анодом зажигается дуговой разряд. Электроны, испущенные с каждого катода, ускоряются в полом аноде в виде пучка. Часть электронов удерживается в осевом направлении постоянным электрическим полем, а в радиальном – магнитным полем. Магнитное поле способствует ионизации газа электронами. Это способствует дополнительной ионизации и формированию плотной плазмы, из которой вытягивается ионный пучок. В разряде возбуждаются ионы с зарядовым числом до 7. Источники применяются для получения многозарядных ионов металлов из материала мишени (М).

Дуопигатрон. Для генерации ионов удобно иметь две плазмы. Одна

–низкоэнергетическая дает генерацию частиц. Другая – высокоэнергетическая обеспечивает параметры ионного пучка.

В дуопигатроне (рис.3.22 в) существует две плазмы. Первая плазма (П1) – низковольтная, которая формируется между анодами. Низковольтная дуговая плазма (50 А, 600 В, 2 мкс) поддерживает концентрацию высоковольтной плазмы на уровне 1013 см-3. Вторая плазма

78

(Te~150 эВ) способствует получению многозарядных ионов путем электрон-ионных столкновений.

Источники газометаллических ионов. На рис. 3.23 представлена группа источников газометаллических ионов, в которых применяются ионно-оптические системы для формирования пучков применительно к полупроводниковой технике.

Рисунок 3.23 - Схемы источников газометаллических ионов; а) – источник ионов газов Чордиса, б) – источник ионов металлов Чордиса, в) – дуоплазмотрон

Висточнике газовых ионов Чордиса (рис. 3.23 а) обеспечивается тлеющий разряд. Изменение параметров плазмы достигается изменением параметров вспомогательного газового разряда (Uвр). Изменением

напряжения U1 и U2 достигается ускорение ионного пучка и изменение его угловых параметров.

Висточнике металлических ионов Чордиса (рис. 3.23 б) в тигле (Т) располагается испаряемый материал. Пары металла (в частности мышьяка) поступают в камеру ионизации. Ионы извлекаются в направлении ускорительной системы.

Дуоплазмотрон (рис. 3.23 в) содержит две плазменные камеры. В первой камере между катодом и анодом обеспечивается разряд, контролируемый с помощью вспомогательного разряда (Uвр). Во второй камере помещается распыляемый электрод (РЭ), ионы которого требуется получить.

Источники ионов с профильным пучком. На рис.3.24 представлены ионные источники паров металлов с линейным пучком.

Жидкометаллические ионные источники (рис.3.24 а) нашли широкое применение в полупроводниковой технике для получения относительно моноэнергетических ионных пучков.

Висточнике Фримана с ленточным пучком (рис.3.24 б) плазма паров металлов попадает в продольное магнитное поле, что повышает степень ее ионизации. Для нейтрализации пространственного заряда используется накаливаемая нить, находящаяся под потенциалом -200В. Такой потенциал «отсекает» низкоэнергетические ионы, что улучшает параметры пучка.

79

Рисунок 3.24 - Схемы источников ионов металлов с линейным пучком; а) – жидкометаллический источник, б) источник Фримана, в) – лазерноплазменный источник.

Для получения ионов химически чистых материалов используется лазерный ионный источник. Луч лазера попадает на мишень (М) и производит локальное испарение материала. Далее пар ионизируется. Ионы металлов извлекаются и ускоряются.

Источники многозарядных ионов. Особенность генерации ионов состоит в том, что часть ионного тока, получаемого из источника с ускоряющим напряжением U, обладает энергией равносильной ускорению иона до 2U (двухзарядный), 3U (трехзарядный) и т.д. Многозарядные ионные источники перспективны для конверсии одних газов в другие, для стимулирования реакций в газе и плазме, для легирования полупроводниковых материалов.

На рис.3.25 представлены схемы источников многозарядных ионов на основе СВЧ разряда и пучково-плазменного разряда.

Рисунок 3.25 - Схемы источников многозарядных ионов; а) – СВЧисточник со схемой индикации пучка, б) – пучково-плазменный источник

80

В СВЧ источниках используется свойство плазмы возбуждаться и излучать в широком диапазоне частот. СВЧ источники можно разделить на два типа: источники на основе электронного циклотронного резонанса (ЭЦГ) и источники на нерезонансной СВЧ плазме.

ЭЦГ источники работают на следующем принципе. При обеспечении давления на уровне 0,01 Па и при подаче газа с помощью СВЧ излучения (6-16 ГГц) возбуждается плазма (n=1012 cм-3) в однородном магнитном поле. Подача высокого напряжения (более 1 кВ) сопровождается ионизацией газа. При совпадении частоты СВЧ излучения с частотой вращения электрона в магнитном поле (циклотронной частотой) происходит повышение электронной температуры плазмы (до 10 кэВ), происходит максимальная ионизация и происходит генерация ионов с заданным зарядовым числом.

Источники многозарядных ионов на нерезонансной СВЧ плазме работают в области более высоких давлений, чем ЭЦГ (1-0,1 Па), при частотах ~2 ГГц и при более сильных магнитных полях (2 Тл). В плазме более высокого давления преобладают нерезонансные явления (перезарядка, переизлучение, возбуждение и др.). Это позволяет получать токи многозарядных ионов на два порядка больше токов, получаемых ЭЦГ источниками.

Пучково-плазменные источники. Плазма представляет собой систему с распределением частиц по энергиям и по скоростям. Электронный пучок также представляет собой плазму с распределением частиц по энергиям. Взаимодействие плазмы с пучком приводит к гамме осцилляций частиц в плазме. Извлечение ионов происходит при одновременной компенсации объемного заряда ионов с помощью пучка вторичных (низкоэнергетических) электронов или электронов плазмы пучка.

3.4.2Ионное травление материалов

Под ионным травлением понимается процесс разрушения поверхности материала (мишени) под действием ионной бомбардировки. Материалом распыляемой мишени можно наносить пленки. Системы для распыления материалов делятся на ионно-лучевые, ионно-плазменные и комбинированные. Для стимулирования процесса травления в рабочую камеру кроме инертного газа могут напускаться активные газы (плазмохимическое травление), или газы, дающие активные радикалы (радикальное травление). Примером такого травления является травление в среде водорода:

H2 → H + H .

При напуске активных газов, вступающих в химические реакции с поверхностью, различают реактивное ионно-лучевое и реактивное ионно-