УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ШИРОКОАПЕРТУРНОГО НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНОГО ПОТОКА ИОНОВ
APPARATUS FOR PRODUCING A WIDE-APERTURE LOW-ENERGY ION FLUX

Изобретение относится к области разработки плазменных источников ионных потоков, а точнее к разработке широкоапертурных источников низкоэнергетичных ионных потоков.
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в электронно-лучевой технологии, плазмохимической технологии, а именно в технологиях атомно-слоевого травления материалов микро - и наноэлектроники, экспериментальной физике.
Сущность изобретения: для получения широкоапертурного потока низкоэнергетичных ионов с возможностью управления энергией ионов используется плоский «плазменный лист», который выступает в качестве широкоапертурного эмиттера ионного потока с энергией ионов порядка средней энергии вторичных плазменных электронов в «плазменном листе» (рис. 1).
Техническим результатом изобретения является разработка устройство для получения широкоапертурного потока низкоэнергетичных ионов. Устройство содержит основной газоразрядный промежуток для формирования ленточного электронного пучка, состоящий из протяженного щелевого катода, сетчатого анода и диэлектрических вставок из фторопласта и систему формирования «плазменного листа» за сетчатым анодом, состоящий из ускоряющего электрода-экстрактора, коллектора и диэлектрической подложки на поверхность которой создается поток низкоэнергетичных ионов (рис. 1 и рис. 2).
Изобретение относится к области разработки плазменных источников ионных потоков, а точнее к разработке широкоапертурных источников низкоэнергетичных ионных потоков.
Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в прецизионных технологиях атомно-слоевого травления материалов микро- и наноэлектроники (US №4756794. Atomic Layer Etching. Max N. Yoder, Falls Church, Va. 91133, 31/08/1987. Date of Patent 12/07/1988).
Известен широкоапертурный источник газовых ионов на основе основного объемного разряда с полым катодом и сетчатым анодом и вспомогательного разряда в качестве плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов с узкой зоной ускорения для ионизации рабочего газа и ускорения ионов (RU 2338294, 2007).
Недостатком данной конструкции является невозможность формирования ионных потоков с низкими (менее 1 эВ) энергиями ионов. Известен также плазменный источник ионов с ленточным пучком, содержащий ионизационную камеру с эмиссионным отверстием прямоугольной формы, электростатическую систему извлечения ионов, специальная магнитная система, которая обеспечивает создание внутри ионизационной камеры магнитного поля и узел ввода высокочастотной энергии (патент РФ на изобретение №2151438).
Недостатком данной конструкции также является невозможность формирования широкоапертурных ионных потоков с низкими (менее 1 эВ) энергиями ионов.
Из известных способов и устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для формирования плазменно-пучкового разряда (патент RU 2574339 С1).
Описанное в патенте RU 2574339 С1 устройство для формирования плазменно-пучкового разряда содержит протяженный щелевой катод, плоский анод и две диэлектрические стенки, ограничивающие область разряда. Такое устройство позволяет получить широкоапертурные ленточные электронные пучки и ионные потоки.
Недостаток известной конструкции заключается о том, что в нем нет устройства, позволяющего извлекать из плазменно-пучкового разряда ионные потоки.
Другим недостатком известной конструкции является то, что в разрядной области кроме ленточных электронных потоков присутствуют сильные электрические поля, в которых ускоряются, в том числе и ионы, поэтому нельзя формировать низкоэнергетичные ионные потоки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентными научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.
Целью настоящего изобретения является разработка широкоапертурного плазменного источника низкоэнергетичных потоков ионов с энергией ионов около 0.6 эВ - 1 эВ, пригодного для использования в прецизионных плазменных технологиях, например, в технологиях атомно-слоевого травления.
Поставленная цель достигается созданием основного разряда наносекундной длительности между протяженным щелевым катодом и сетчатым анодом для формирования ленточных электронных пучков, с помощью которых за сетчатым анодом в области до коллектора создается пучковая плазма в виде тонкого «плазменного листа», поверхность которого выступает в роли эмиттера ионов в поперечном направлении (рис. 1). Под «плазменным листом» помешается плоская диэлектрическая подложка, на поверхность которой падает поток ионов, эмитируемых из «плазменного листа». При этом, согласно изобретению, «плазменный лист», созданный ленточным электронным пучком, выступает в роли эмитирующей поверхности широкоапертурного источника ионного потока. Такое конструктивное выполнение устройства для получения широкоапертурного низкоэнергетичного потока ионов позволяет управлять энергией ионов вблизи поверхности подложки путем формирования вблизи этой поверхности отрицательного пристеночного потенциала величиной около 1 В. Ионы, проходящие через указанный пристеночный потенциал, набирают энергию вблизи поверхности подложки такой же величины, т.е. около 1 эВ.
δ
м
Действительно, известно, что функция распределения электронов по энергиям в плазменно-пучковых разрядах исследуемого типа состоит из двух частей: высокоэнергетичных электронов с энергией ε около около 1 кэВ и вторичных плазменных электронов с энергией ε около 1 эВ [Ashurbekov N.A., Iminov K.О. Generation of high-energy electrons in the nanosecond gas discharges with a hollow cathode (Book Chapter) Generation of Runaway Electron Beams and X-Rays in High Pressure Gases, Vol. 1: Techniques and Measurements. - New York: Nova Publishers, 2016]. Режим формирования функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в плазменно-пучковом разряде согласно [Tsendin L.D. Nonlocal electron kinetics in gas discharge plasma. Physics-Uspekhi. - 2010. - Vol. 53. - P. 133] можно анализировать путем введения параметра релаксации
e
a
d
где v - частота межэлектронных столкновений; δ=2m/M; v - частота упругих столкновений электронов с атомами; v* - частота неупругих столкновений электронов с атомами; τ - время свободной диффузии электронов к стенкам разрядной трубки. Величину времени свободной диффузии электронов можно оценить по формуле
r
где Λ - характерная диффузионная длина, D - коэффициент свободной диффузии.
ε
Длину энергетической релаксации электрона λ с энергией 8 можно определить в соответствии с следующим выражением:
ε
δ
При К>>1 из (2) следует, что Λ>>λ. Это означает, что в релаксации ФРЭЭ объемные столкновительные процессы превалируют над диффузионными и режим формирования ФРЭЭ является локальным. В этом случае электроны образуют сплошной электронный спектр в области от средних энергий <ε>до энергий пучковой составляющей ε.
При К<<1 существенную роль в формировании быстрой части функции распределения электронов играет их взаимодействие со стенками плазменного объема и пристеночными слоями потенциала. Поскольку поперечная диффузия в этих условиях происходит быстрее, чем изменение их энергии за счет столкновений, то энергетическое распределение электронов в данной точке определяется параметрами плазмы не только в этой области, но и во всем объеме.
Потоки ионов и электронов на поверхность подложки выражаются известными формулами
а
где U - направленная скорость; N - концентрации; D и b - коэффициенты диффузии и подвижности; Е - амбиполярное электрическое поле. Индексы i относятся к ионам, ем - к электронам основной группы, еδ - к быстрым электронам.
При максвелловском распределении ионов
i
a
где v - усредненная частота резонансной перезарядки ионов на атомах.
Аналогичные соотношения могут быть получены для электронов основной группы
и для быстрых электронов:
a
δ
а
м
где  и  - средние энергии медленных и быстрых электронов; v, V - усредненные частоты столкновений быстрых и медленных электронов с атомами.
е
м
δ
е
м
δ
Из соотношения (4) видно, что поток электронов на поверхность подложки Г состоит из потока основной группы электронов Г и потока быстрых электронов Г: Г=Г+Г.
i
ем
Если К>>1, то быстрые электроны релаксируют по энергиям в объеме, не успев уйти на стенки. В частности, значительная часть энергии таких электронов расходуется на возбуждение и ионизацию атомов газа. Поток таких электронов на поверхность подложки мал и величина пристеночного потенциала определяется из равенства Г=Г. В частном случае максвелловского распределения группы вторичных плазменных электронов пристеночный потенциал определяется средней энергией плазменных электронов с энергией около 1 эВ:
Таким образом, если в «плазменном листе» путем подбора давления газа, энергии электронов и их плотности в ленточном электронном пучке за сетчатым анодом таким образом, что величина К>>1, то в этом случае вблизи поверхности подложки создается отрицательный пристеночный потенциал величиной . Ионный поток, проходящий в безстолкновительном режим данный пристеночный потенциал приобретают вблизи поверхности подложки энергию, порядка средней энергии вторичных плазменных электронов «плазменного листа». Величину этой энергии можно менять путем изменения характеристик ленточного электронного пучка основного разряда и подбора оптимальной величины давления газа.
1
2
3
Фиг. 1 изображает схему широкоапертурного плазменного источника ионных потоков в 3D формате (а) и в поперечном сечении (б): 1 - полый катод, 2 -диэлектрические вставки из фторопласта, 3 - ускоряющий электрод-экстрактор, 4 - сеточный анод, 5 - диэлектрическая подложка, 6 - коллектор, 7 - схематический вид «плазменного листа», созданного ленточным электронным пучком. V, V и V - электрические потенциалы, прикладываемые соответственно к сеточному аноду, электроду-экстрактору и коллектору.
Фиг. 2 - то же в сборке с учетом систем напуска и откачки газа.
а
Фиг. 3 - изображает фотографии оптических картин «плазменного листа», полученных в неоне при давлении газа около 1 Тор:  - вид с боку; b - вид сверху.
Фиг. 4 - изображает характерные синхронизованные осциллограммы импульса напряжения на основном разрядном промежутке и импульса излучения из полости в катоде (а) и импульса напряжения и осциллограммы импульса излучения из центра плазменного листа на расстоянии 8 мм от сетчатого анода. Давление неона 0.5 Тор и амплитуде импульса напряжения 1.2 кВ.
Фиг. 5 - изображает спектр излучения разряда в неоне при давлении газа 0.5 Тор и амплитуде импульсов напряжения 1.2 кВ
Устройство для получения широкоапертурного низкоэнергетичного ионного потока (Фиг. 1) состоит из основного разрядного промежутка для формирования ленточного электронного пучка, содержащего протяженный щелевой катод (1) сеточный анод (4), диэлектрические вставки из фторопласта (2) и системы формирования «плазменного листа» за сетчатым анодом, состоящим из ускоряющего электрода-экстрактора (3), коллектора (6) и диэлектрической подложки (5), вблизи поверхности которой создается поток низкоэнергетичных ионов.
Новыми являются использование для получения широкоапертурного низкоэнергетичного ионного потока пучково-плазменного разряда в виде «плазменного листа», который формируется над поверхностью подложки и выступает в качестве эмиттера ионного потока с энергией ионов порядка средней энергии вторичных плазменных электронов в «плазменном листе». И возможность управления энергией ионного потока путем изменения средней энергии вторичных плазменных электронов в «плазменном листе» за счет изменения давления газа в камере и амплитуды импульсов напряжения прикладываемых к основному разрядному промежутку.
-6
1
2
3
Устройство работает следующим образом: предварительно газоразрядная система откачивается до остаточных давлений газа около 10 Тор и после этого напускается газ, ионный поток которого требуется получить (Например, неон, аргон, азот). Затем на основной разрядный промежуток в частотно-периодическом режиме подаются импульсы напряжения длительность около 100 не, амплитудой в диапазоне 0.6-2 кВ, с помощью которых за сетчатым анодом формируется ленточный электронный пучок с энергией электронов около 1 кЭв. Далее, ленточный электронный пучок формирует пучково-плазменный разряд в виде «плазменного листа» в области между электродом-экстрактором и коллектором. К сеточному аноду, электроду-экстрактору и коллектору прикладывают электрические потенциалы V, V и V, обеспечивающие транспортировку ленточного электронного пучка в области формирования «плазменного листа». На Фиг. 3 представлены характерные фотографии оптических картин «плазменного листа», полученные в неоне при давлении газа около 0.5 Тор.
Синхронизованные осциллограммы импульса напряжения на основном разрядном промежутке и импульса излучения из полости в катоде (а) и импульса напряжения и осциллограммы импульса излучения из плазменного листа на расстоянии 8 мм от сетчатого анода представлены на фиг. 4.
На фиг. 5 для этих же условий представлен характерный спектр излучения разряда в неоне при давлении газа 0.5 Тор и амплитуде импульсов напряжения 1.2 кВ. Из анализа осциллограмм импульсов тока разряда, напряжения на электродах основного разрядного промежутка и спектра излучения разряда можно оценить энергии электронов ленточного электронного пучка и вторичных плазменных электронов. Такие оценки показали, что для представленных условий доля высокоэнергетичных электронов составляет около 10 процентов от общей плотности электронов в основном разряде, энергия электронов ленточного пучка - около 1 кЭв, энергия вторичных плазменных электронов в плазменном листе - около 0.8 эВ. Таким образом, энергия ионного потока вблизи поверхности составляет такую же величину - около 0.8 эВ. Последнюю величину можно регулировать путем изменения давления газа и амплитуды импульсов напряжения на основном разрядном промежутке.
Предложенное устройство позволяет получить низкоэнергетичный поток ионов с апертурой около 5×2 см с энергией ионов около 1 эВ.
Устройство позволяет также управлять энергией ионного потока путем подбора давления газа и амплитуды импульсов напряжения на электродах основного разрядного промежутка.