Устройство для обработки диэлектрических изделий быстрыми атомами
DEVICE FOR PROCESSING DIELECTRIC PRODUCTS WITH FAST ATOMS

Изобретение относится к области обработки диэлектрических изделий ускоренными ионами или быстрыми атомами и предназначено для травления канавок с высоким аспектным отношением и получения изделий с повышенными механическими и электрофизическими характеристиками поверхности за счет имплантации в нее легирующих элементов.
Известны метод и устройство для плазменной иммерсионной ионной имплантации (Conrad J.R. Method and apparatus for plasma source ion implantation. Patent US 4,764,394, August 16, 1988). Рабочую вакуумную камеру при низком давлении газа заполняют плазмой, погружают в нее обрабатываемое изделие и подают на изделие импульсы высокого напряжения отрицательной полярности. Ионы из плазмы ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и изделием и бомбардируют его поверхность. Глубина проникновения в изделие легирующих атомов прямо пропорциональна энергии бомбардирующих ионов, которая достигает максимальной величины, соответствующей ускоряющему ионы напряжению, только в том случае, если длина свободного пробега ионов λ превышает ширину слоя d. При напряжении 50-100 кВ d составляет десятки сантиметров, и чтобы λ превышало d, давлении газа должно быть не выше 0,01-0,02 Па. При давлении более 0,1 Па из-за столкновений с перезарядкой в слое средняя энергия бомбардирующих изделие ионов и толщина легированного слоя заметно снижаются.
Недостатками данного устройства являются затрудняющее генерацию плазмы ограничение давления величиной не выше 0,01-0,02 Па и невозможность подавать высоковольтные импульсы на изделия из диэлектрических материалов.
Другим устройством, известным из уровня техники, является вакуумная установка с камерой, оснащенной источником ионного пучка большого сечения (Hayes A.V., Kanarov V., Vidinsky В. Fifty centimeter ion beam source. Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. No 4. P. 1638-1641). При давлении порядка 0,01 Па пучок ионов с энергией до 5 кэВ и током до 5 А может обрабатывать вращающиеся в камере напротив ионно-оптической системы источника изделия с размерами в десятки сантиметров.
Недостатками данного устройства являются трудоемкость изготовления, высокая стоимость, а также невозможность обрабатывать изделия ионами химически активных газов. Последнее связано с тем, что в ионном источнике для формирования плазменного эмиттера используется разряд с накаленными катодами, которые быстро отравляются и выходят из строя в химически активной среде.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для обработки изделий быстрыми атомами (Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Источник широкого пучка быстрых атомов, получаемых при перезарядке ионов, ускоряемых между двумя областями, заполненными плазмой // Приборы и техника эксперимента. 2009. №4. С. 166-172).
Устройство содержит вакуумную камеру, установленный на ней полый корпус, размещенный внутри корпуса полый катод в форме открытой в сторону камеры чаши диаметром 21 см и глубиной 9 см, установленный в центре дна полого катода дисковый анод диаметром 28 мм, перекрывающую выходное отверстие катода плоскую эмиссионную сетку, соединенную с камерой через резистор, источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с анодом, а отрицательным плюсом - с полым катодом, и источник ускоряющего напряжения, соединенный положительным полюсом с анодом, а отрицательным плюсом - с сеткой.
При давлении аргона р ~ 0,4 Па подача ускоряющего напряжения 1-6 кВ между анодом и сеткой и напряжения до нескольких сотен вольт между анодом и полым катодом инициирует тлеющий разряд, в результате полый катод заполняется однородным плазменным эмиттером. В этом разряде катод и отрицательная по отношению к нему сетка образуют ловушку для быстрых электронов. Ускоренные в слое положительного объемного заряда между плазменным эмиттером и сеткой ионы через отверстия сетки влетают в вакуумную камеру, где при столкновениях с атомами газа превращаются в быстрые атомы.
Концентрация плазмы вблизи поверхности сетки с уменьшением расстояния до цилиндрической поверхности катода снижается и достигает минимальной величины в углу между катодом и сеткой. Поэтому ширина слоя объемного заряда между эмиттером и сеткой возрастает от ее центра к периферии. Это вызывает искривление поверхности плазменного эмиттера и угловую расходимость пучка прошедших через сетку ионов. Сильная неоднородность электрического поля вблизи отверстий сетки приводит к заметному угловому разбросу вектора скорости поступающих в камеру ионов.
При протекании тока поступающих на стенки камеры положительных ионов через включенный между камерой и сеткой резистор, на сетке индуцируется отрицательный потенциал, препятствующий поступлению в плазменный эмиттер электронов из вторичной плазмы, которая образуется в результате нейтрализации объемного заряда ионов в камере вторичными электронами с ее стенок.
Рабочий диапазон давления газа р в источнике ограничен. В случае аргона разряд погасает при р < 0,2 Па, а при р > 0,6 Па происходит пробой между плазменным эмиттером и вторичной плазмой. В этом случае ускорение ионов между двумя плазмами прекращается. При средней величине давления р=0,4 Па длина перезарядки ионов аргона с энергией 6 кэВ равна 6 см, а длина свободного пробега молекул аргона равна 2 см. Поэтому образующиеся быстрые атомы аргона могут также рассеиваться и при упругих столкновениях с молекулами аргона.
Недостатками известного устройства, в том числе техническими проблемами, являются снижающие качество изделий неоднородность обработки их поверхности быстрыми атомами и значительные отклонения от вертикали боковых поверхностей канавок, получаемых травлением пучком быстрых атомов с большим угловым разбросом, обусловленные высоким давлением газа и неоднородностью плотности тока ионов в пучке, а также интенсивное распыление сетки ионами, которое сокращает срок службы устройства и вызывает загрязнение изделий атомами материала сетки.
Задачей предложенного решения является создание устройства для обработки изделий быстрыми атомами с повышенной однородностью при низком уровне загрязнения изделий, пониженном давлении газа и повышенном сроке службы устройства.
Технический результат - повышение качества обрабатываемых изделий.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для обработки изделий быстрыми атомами, содержащее вакуумную камеру, скрепленный с последней полый корпус и соединенный с ней отрицательным полюсом источник питания разряда, в заявленном устройстве снабжено установленным в вакуумной камере анодом, соединенным с положительным полюсом источника питания разряда, установленным на полом корпусе высоковольтным вводом напряжения, набором плоскопараллельных металлических пластин, установленных внутри полого корпуса на границе с вакуумной камерой и соединенных электрически друг с другом и с высоковольтным вводом напряжения, генератором высоковольтных импульсов напряжения, соединенным положительным полюсом с вакуумной камерой, а отрицательным полюсом - с высоковольтным вводом напряжения, и установленным на полом корпусе съемным фланцем, являющемся держателем обрабатываемых изделий.
На чертеже изображена схема устройства для обработки изделий быстрыми атомами.
Устройство для обработки изделий быстрыми атомами содержит вакуумную камеру 1, скрепленный с последней полый корпус 2 и соединенный с ней отрицательным полюсом источник питания разряда 3. При этом устройство снабжено установленным в вакуумной камере анодом 4, соединенным с положительным полюсом источника питания разряда 3, установленным на полом корпусе высоковольтным вводом напряжения 5, набором плоскопараллельных металлических пластин 6, установленных внутри полого корпуса 2 на границе с вакуумной камерой 1 и соединенных электрически друг с другом и с высоковольтным вводом напряжения 5, генератором высоковольтных импульсов напряжения 7, соединенным положительным полюсом с вакуумной камерой 1, а отрицательным полюсом - с высоковольтным вводом напряжения 5, и установленным на полом корпусе 2 съемным фланцем 8, являющемся держателем обрабатываемых изделий 9.
Устройство для обработки изделий быстрыми атомами работает следующим образом.
Вакуумную камеру 1 и полый корпус 2 с подложками 9, закрепленными на фланце 8, откачивают до давления 1 мПа, затем подают в нее рабочий газ, например, аргон и увеличивают давление в ней до ~ 0,1 Па. Включение источника питания разряда 3 инициирует тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов, и вакуумная камера 1 заполняется однородной плазмой 10, отделенной от стенок камеры катодным слоем 11. После прогрева и очистки ионами из плазмы 10 разряда с напряжением ~ 300 В и током до 3 А стенок вакуумной камеры 1 и плоскопараллельных пластин 6 давление газа р уменьшают до ~ 0,01 Па и включают генератор импульсов высокого напряжения 7. Ускоряемые в слое 12 между плазмой 10 и плоскопараллельными пластинами 6 импульсом высокого напряжения, например, 50 кВ ионы 13 пролетают при давлении р=0,01 Па через зазоры между плоскопараллельными пластинами 6 без столкновений с молекулами газа. Однако из-за неоднородности электрического поля на кромках плоскопараллельных пластин 6 ионы 13 рассеиваются на малые углы, отражаются от пластин и превращаются в быстрые нейтральные атомы 14, бомбардирующие подложки 9.
Так все ускоряемые плоскопараллельными пластинами 6 из плазмы 10 ионы 13 превращаются в быстрые атомы 14 с энергией 50 кэВ, соответствующей амплитуде импульса напряжения 50 кВ.
Увеличение энергии быстрых атомов при нейтрализации заряда ионов на поверхности пластин, позволяющей на порядок по сравнению с прототипом увеличить ускоряющее напряжение, повышает глубину их проникновения в поверхностный слой изделия, что увеличивает эффективность имплантации легирующих добавок.
Десятикратное снижение давления газа за счет генерации плазменного эмиттера в вакуумной камере с объемом, превышающим на порядок объем полого катода в прототипе, снижает рассеяние быстрых атомов из-за столкновений с молекулами газа и повышает качество изделий за счет снижения отклонения от вертикали боковых поверхностей канавок, получаемых травлением пучком быстрых атомов.
Отбор ионов в слой между ускоряющими пластинами и плазменным эмиттером из области, удаленной от углов между стенками вакуумной камеры, обеспечивает более высокую по сравнению с прототипом однородность плотности тока ускоряемых ионов и обработки подложек образующимися быстрыми атомами, а также низкое угловое рассеяние быстрых атомов, повышающее качество изделий за счет снижения отклонения от вертикали боковых поверхностей канавок, получаемых травлением пучком быстрых атомов.
Ускоренные ионы распыляют лишь торцевую поверхность пластин толщиной 0,5 мм. При расстоянии между ними в 10 мм ее площадь составляет 5% от площади поперечного сечения формируемого пучка. По сравнению с прототипом, где распыляемая поверхность сетки составляет 30% от площади поперечного сечения формируемого пучка, это в 6 раз снижает интенсивность осаждения металлических пленок на стенках рабочей камеры, а скорость их осаждения на обрабатываемых изделиях из-за поглощения распыленных атомов пластинами при их прохождении через зазоры между ними снижается практически до нуля.
Ширина набора плоскопараллельных пластин равна 60 мм, что в 30 раз больше толщины сетки в прототипе, равной 2 мм, и для его распыления ионами потребуется в 30 раз больше времени, чем для распыления сетки. Это значительно повышает срок службы устройства по сравнению с прототипом.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - повышения качества обрабатываемых изделий.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий: - объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для обработки изделий быстрыми атомами с повышенной эффективностью травления и имплантации в поверхность изделий легирующих элементов, а также с низким уровнем загрязнения поверхности изделий при повышенном сроке службы объекта;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.