Ионный источник Кауфмана

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

СТАЛИ И СПЛАВОВ

(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РЕФЕРАТ

Ионный источник Кауфмана

Студент:

Преподаватель: .

Научный руководитель:

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Oсновные параметры плазменных ионных источников 4

2. принцип действия и основные эксплуатационные особенности источника

Кауфмана 7

3. Модификации источника Кауфмана и тенденции его развития 12

4. Применение ионных источников в технологии 13

заключение 16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 18

ВВЕДЕНИЕ

Ионные источники – устройства для получения направленных потоков

ионов. Ионные источники применяются в ускорителях, масс-спектрометрах,

ионных микроскопах, установках разделения изотопов, ионных ракетных

двигателях. Быстро расширяющаяся область технологических применений

источников ионов - это оборудование ионно-лучевой обработки материалов

(операции финишной очистки поверхности ИС, имплантации, распыление

металлических и диэлектрических материалов, травление микроструктур и т.д.

)

Существует несколько способов генерации ионных пучков: генерация

ионных пучков путем бомбардировки поверхности твердого тела потоком атомов

(поверхностная ионизация), исследовательских установках применяют источники

с ионизацией атомов на разогретой поверхности твердых тел и т.д.

Однако, наиболее перспективный способ генерации ионных потоков основан

на извлечении ионов из плазмы. Газоразрядная плазма является эффективным

эмиттером свободных ионов. Следует отметить, что именно плазменные ионные

источники нашли широкое применение в различных областях научных

исследований и в современном технологическом промышленном оборудовании.

В настоящей работе рассмотрен плазменный ионный источник - источник

Кауфмана, применяемый в технологии микроэлектроники и имеющий широкие

перспективы развития. В первой главе рассмотрены основные параметры ионных

источников. Далее рассмотрен конкретно источник Кауфмана и применение

ионных источников в технологии микроэлектроники.

1. Oсновные параметры плазменных ионных источников

Основными конструктивными элементами плазменных источников

ионов являются:

разрядная камера;

катодный узел;

ионно-оптическая система формирования пучка;

магнитная система (в источниках с магнитным полем)

система подачи рабочего вещества;

вакуумная система;

система электропитания;

система контроля и управления.

Технические возможности ионно-лучевой установки во многом определяются

типом ионного источника. Разнообразие типов разработанных источников

обусловлено в первую очередь различными эксплуатационными требованиями к

ним.

Назначением каждого источника является эффективное сообщение

нейтральным атомам и молекулам вещества такого количества энергии, какого

было бы достаточно для отрыва внешних электронов. В результаты произошедшей

ионизации в источнике устанавливается определенная концентрация заряженных

частиц, вытягивание которых и формирование в пучок требуемого сечения

является назначением ионно-оптической системы /1/.

Обычно тип источника соответствует определенному способу возбуждения

разряда. Согласно такой классификации различают источники с накаленным и

холодным катодом, источники с ВЧ разрядом. Можно указать и другие

отличительные признаки конструкции источника. Такие признаки могут быть

связаны самими физическими процессами в разрядной камере, так и с

конструктивными особенностями разрядного узла и системы экстракции .

Конструктивное исполнение источника зависит от системы экстракции и

формирования. Известны источники с аксиальным или поперечным (относительно

направления магнитного поля) выводом, причем выходной пучок может быть

цилиндрическим или ленточным. В технологических приложениях широко

используются многопучковые источники, формирующие однородные ионные пучки с

поперечными размерами до нескольких десятков сантиметров. Именно таким

ионным источником является источник Кауфмана.

Ионные источники, предназначенные для различных типов рабочих веществ

(газообразных, твердых, тугоплавких, химически активных, токсичных), также

имеют свои специфические особенности, отраженные в конструкции отдельных

узлов. Различными могут быть и требования, предъявляемые к вакуумной

системе источника. Например, в электронно-лучевом источнике со

сверхпроводящей магнитной системой ~ 10-10 Па, в основной ступени ЭЦР –

источника требуется вакуум ~ 10-4 - 10-5 Па. Тогда как давление в разрядной

камере плазмотрона ~ 1 Па /2/.

Наконец, область применения и условия эксплуатации ионного источника

накладывают определенные ограничения на конструкцию и параметры источника.

Многообразие требований, предъявляемых к ионным пучкам в различных

применениях, не позволили до настоящего времени создать универсальный

ионный источник. Можно указать, с одной стороны, на чрезвычайно широкий

диапазон параметров ионных источников технологического назначения, а с

другой стороны, отметить специфические условия эксплуатации источников в

ускорителях заряженных частиц. Разработка и совершенствование конструкции

плазменного ионного источника направлены на решение следующих задач:

возбуждение разряда и обеспечение заданной концентрации заряженных частиц в

газоразрядной камере, извлечение(экстракция)ионов из плазменного эмиттера,

формирование ионного пучка с требуемыми энергетическими и оптическими

характеристиками.

Выбор конкретного тина ионного источника для использования в

технологической или экспериментальной установке осуществляют на основе

сравнения их основных технических характеристик. Такой выбор обычно

обусловлен требованиями к ионному потоку и непосредственно к самому

источнику.

Ионный поток можно охарактеризовать следующими основными параметрами:

1) общим током кучка, максимальное значение которого определяется

«яркостью» источника; обычно яркость ионных источников значительно меньше,

чем электронных, и не превышает 100 А/(ср(м2);

2) однородностью ионного потока, определяемой составом пучка по массе

и зарядности ионов; состав оценивается или в процентах, или значением тока

для каждого типа ионов;

3) распределением ионов по энергиям (моноэнергетичностью) относительно

среднего значения; это распределение зависит от типа источника и режима его

работы;

4) стабильностью тока, позволяющей использовать ионный поток для

технологических целей; количественно нестабильность оценивают степенью

модуляции.

5) расходимостью пучка, определяемой системой формирования ионного

потока и направленный пучок и зависящей от режима работы источника /1/.

Эксплуатационные особенности источников оцениваются целой группой

характеристик. В этой группе можно выделить следующие основные: режим

работы (стационарный или импульсный), возможность ионизовать вещества в их

различных состояниях (газ, жидкость, твердое тело), коэффициент

использования рабочего вещества (для газовых источников—газовая

экономичность, определяемая отношением числа выходящих из источника ионов к

числу атомов газа, вводимых в источник); легкость управления ионами по

энергиям; необходимость в принудительном охлаждении; светосилу,

определяемую как отношение числа выходящих из источника ионов к их общему

числу в источнике (обычно эта величина порядка 0,1—1 %). При выборе

источника следует учитывать его экономичность—ионный ток, приходящийся на

единицу мощности, подводимой к источнику /3/.

Важной характеристикой применения источников в технологических

установках является их долговечность, определяемая как период непрерывной

работы (в часах) без замены детален и разборки источника. Простота

конструкции, особые требования к блокам питания и управления также важны

при выборе типа источника.

В настоящее время разработано и эксплуатируется большое число

источников различных типов. В данной работе рассмотрены принцип действия и

основные эксплуатационные особенности источника Кауфмана.

2. принцип действия и основные эксплуатационные особенности источника

Кауфмана

В источнике Кауфмана разряд локализуется между стенками анодного

цилиндра, горячим катодом и системой экстракции рис.1. Осцилляция

электронов в продольном магнитном поле и электрическом поле, образованном

системой электродов, приводит к увеличению эффективности ионизации рабочего

газа. Отличительной особенностью конструкции источника является наличие

двух - или трехэлектродной многоапертурной ионно-оптической системы (ИОС),

предназначенной для экстракции и формирования ионного потока, состоящего из

множества (до 1000) отдельных пучков. Отражательный электрод имеет выходные

отверстия и выполняет функцию эмиссионного электрода системы экстракции.

Соотношение радиуса цилиндрического анода и длины разрядной камеры

имеет свой оптимум, при котором ионный ток максимален /3/.

Многолучевой источник с осцилляцией электронов (источник Кауфмана):

[pic]

1 - термокатод, 2 - экран катода,3 - цилиндрический анод, 4 -

соленоид, 5 - ввод рабочего газа,6 - плазма,7 - эмиссионный электрод,

8 - ускоряющий электрод, 9 - замедляющий электрод, 10 - ионный пучен

Рис.1

Следует отметить ряд достоинств, определяющих применение

многопучкового источника в ионной технологии.

I. Низкое напряжение разряда ((20 В) уменьшает возможность распыления

стенок камеры. Ионный пучок содержит небольшое количество примесей (10-6 %)

и имеет малый энергетический разброс.

2. Механизм поддержания стационарного разряда допускает большой

диаметр камеры при однородном распределении в ней плазмы, что, в свою

очередь, позволяет применять многолучевое извлечение ионного пучка и

работать с однородными потоками большого диаметра.

3. Осцилляция электронов позволяет использовать низкое давление в

разрядной камере и поддерживать таким образом хороший вакуум в рабочей

камере технологической установки, что снижает потери пучка и уменьшает

загрязнение мишени.

4. Источник имеет высокий газовый к.п.д. (80 %) и высокий

энергетический к.п.д.

К числу недостатков конструкции МИИ можно отнести то обстоятельство,

что использование термокатода ограничивает срок службы источника и не

позволяет работать с химически активными рабочими веществами. Кроме того,

плазма в магнитном поле подвержена неустойчивостям, ухудшающим стабильность

параметров ионного пучка и его оптические свойства /4/.

Типичные параметры технологического МИИ

Ток ионов (Аr+), мА ....................10

Напряжение разряда, В .................. 20

Напряжение на ускоряющем электроде кВ... 20

Катодный узел технологического МИИ должен удовлетворять следующим

требованиям: обеспечивать стабильные параметры газоразрядной плазмы с

достаточно высокой концентрацией и температурой электронов; иметь ресурс не

менее 100 ч; допускать быструю замену катода.

Величина катодного тока зависит от диаметра анодной камеры и,

соответственно, от поперечных размеров ионного потока.

Например, при формировании ионного пучка с диаметром 25 см катодный

Страницы: 1, 2