СПОСОБ НЕРПРЕРЫВАЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА ПУЧКА ИОНОВ КАРБОРАНА С ПОСТОЯННОЙ САМООЧИСТКОЙ ИОННОГО ИСТОЧНИКА И КОМПОНЕНТ СИСТЕМЫ ЭКСТРАКЦИИ ИОННОГО ИМПЛАНТАТОРА
METHOD FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF BEAM OF CARBORANE IONS WITH CONSTANT SELF-CLEANING OF ION SOURCE AND COMPONENT OF ION IMPLANTER EXTRACTION SYSTEM

Изобретение относится к области очистки поверхностей газонаполненных разрядных приборов от адсорбентов, возникающих при ионизации рабочего вещества в электрическом разряде, и может быть использовано в технологиях, ионного напыления, имплантации и легирования поверхности материалов. Так постоянно ведутся работы в направлении миниатюризации полупроводниковых приборов. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов обуславливает необходимость использования ионных пучков низкой энергии, на уровне от нескольких сот электрон-вольт до одного кило-электрон-вольта.
Известно, что при уменьшении величины электрического напряжения на электродах в системе ионной экстакции инжекторов заряженных частиц, из-за действия собственного объемного электрического заряда в потоке заряженных частиц, уменьшается величина плотности (интенсивности) ионного тока на выходе инжекторов. Зависимость изменения плотности ионного тока от величины электрического напряжения на электродах экстракции описывается широко известным законом Чайлда-Ленгмюра. Согласно этому - уменьшение величины электрического напряжения экстракции приводит к снижению производительности имплантера.
Одним из способов обойти эти негативные явления, особенно существенные, для ионных пучков с низкой энергией, требующихся в ряде технологических процессов, является использование многоатомных молекулярных ионов, содержащих повышенное количество рабочего вещества при малом суммарном электрическом заряде.
Однако, при получении таких ионов в электрическом разряде, формируемом в парах рабочего вещества, продукты разложения этого вещества могут адсорбироваться на стенках разрядной камеры в источнике ионов, частично перекрывая его отверстие экстракции, что приводит не только к уменьшению величины тока ионов в пучке на выходе ионного имплантера, но и к потере однородности распределения ионов по сечению пучка. Для предотвращения данного явления, негативно влияющего на процесс имплантации и напыления ионов, требуется поддерживать рабочее состояние отверстия экстракции в источнике ионов путем очистки электродов его разрядной камеры. Дополнительной очистки от продуктов разложения рабочего вещества требуют и электроды в системе экстракции ионного пучка имплантера.
Наиболее близким к предлагаемому способу очистки по совокупным признакам является физико-химический способ очистки (выбранный за прототип - Международная заявка №WO 2011041223 (А1), МПК С23С 14/56; H01J 37/08; H01J 37/16; H01J 37/31; опубликовано 7 апреля 2011), заключающийся в том, что в разрядную камеру ионного источника без его развакуумирования, вводят дополнительно специальные вещества, являющиеся сильными окислителями или их химические соединения, способные вступать в химическую реакцию с осевшими на стенках продуктами развала молекулы рабочего вещества, образуя с ними летучие соединения, которые затем удаляются путем вакуумной откачки ионного источника.
Данный процесс может проводиться как с остановкой работы ионного имплантера, так и в непрерывном режиме генерации рабочих ионов.
В случае очистки камеры с полной остановкой работы имплантера, недостатком является увеличение времени имплантации и, как следствие, снижение производительности данной установки.
Недостатком метода, в случае очистки камеры источника ионов путем напуска сильного окислителя одновременно с процессом генерации пучка рабочих ионов, является другой фактор. Поскольку стабильная работа источника ионов обеспечивается при фиксированной величине рабочего давления (суммарного количества молекул вещества) в разрядной камере, то, в извлекаемом их ионного источника ансамбле заряженных частиц, наряду с ионами рабочего вещества содержатся ионы введенного сильного окислителя, что приводит к уменьшению содержания рабочих ионов в пучке. Данный фактор негативно сказывается на процессах имплантации, ионного напыления и легирования, поскольку уменьшается производительность установки. При таком методе очистки, для достижения необходимой производительности ионного имплантера требуется увеличивать интенсивность извлекаемого ионного пучка, что нивелирует выигрыш от использования молекулярных ионов.
2
10
12
Техническим результатом предлагаемого изобретения (его целью) является разработка способа непрерывной очистки поверхности электродов источника ионов и системы экстракции ионов от продуктов разложения рабочего вещества в имплантере ионов карборана (CBH), а именно углерода, без уменьшения величины плотности тока ионов карборана на выходе данного имплантера, способствующего увеличению его производительности.
4
12
10
4
4
12
10
4
2
10
12
2
2
Поставленная цель достигается тем, что в ионизационную камеру источника ионов подают в качестве рабочего вещества 1,7-м-карборандикарбоновую кислоту (CHBO) и/или 1,2-о-карборандикарбоновую кислоту (CHBO), которые в процессе ионизации разлагаются на ионы карборана (CBH) и углекислоту (CO), являющеюся сильным окислителем углерода (С+CO -> 2СО, реакция Будуара-Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. М., Химия, 1997.), образующей летучие соединения с адсорбированными на стенках источника ионов и электродах системы экстракции ионов продуктами разложения рабочего вещества, которые затем удаляют вакуумной откачкой.
Существенным отличием предлагаемого изобретения является то, что при использовании в качестве рабочего вещества в имплантере ионов именно предложенных элементов, образование ионов карборана происходит в электрическом разряде в источнике ионов одновременно с образованием ионов сильного окислителя, использующегося для самоочистки электродов источника ионов и системы эестракции ионов, непрерывно с процессом экстракции из имплантера ионов карборана.
На фиг.1. представлена схема, поясняющая работу имплантера ионов карборана в котором реализован предлагаемый способ самоочистки ионного источника и компонент системы экстракции ионов.
4
12
10
4
2
4
12
10
4
2
10
12
2
Имплантор ионов карборана работает следующим образом. В объем ионизационной камеры, включающей в себя катод 1, антикатод 2 и анод 3, через паропровод 4 подается рабочее вещество 5 в газообразном состоянии. В предлагаемом изобретении используется как рабочее вещество, хорошо известное химическое соединение - 1,7-м-карборандикарборановая кислота (CHBO), содержащая как карборан, так и кислород, являющийся сильным окислителем. В ионизационной камере происходит ионизация рабочего вещества 5 в электромагнитном поле, создаваемом в результате разницы электрических потенциалов между катодом/антикатодом, с одной стороны, и анодом, с другой стороны, и магнитным полем, создаваемым магнитом М, силовые линии которого показаны на фиг.1. Таким образом в ионизационной камере источника ионов образуется плазма 6. В ходе ее образования, помимо ионизации рабочего вещества с последующим формированием ионного пучка 7 системой экстракции 8, происходит частичная диссоциация молекул рабочего вещества 5 с осаждением на поверхности ионизационной камеры (катода 1, антикатода 2 и анода 3) продуктов развала его молекулы 9, а именно - углерода. В свою очередь, в результате диссоциации молекулы рабочего вещества 5, происходит высвобождение молекул углекислоты (СО), входящей в состав данной молекулы (CHBO -> CBH+CO - Мищенко Г.Л., Вацуро К.В. Синтетические методы органической химии. М., Химия, 1982.). Эти молекулы вступают в химическую реакцию с продуктами диссоциации 9, осажденными на поверхностях ионизационной камеры (катода 1, антикатода 2 и анода 3), образуя летучие соединения в виде СО. Образовавшиеся летучие соединения удаляются из объема ионизационной камеры в результате непрерывно ведущейся вакуумной откачки. Таким образом, достигается непрерывная самоочистка объема ионизационной камеры.
4
12
10
4
4
12
10
4
При экспериментальной проверке данного изобретения, как упоминалось выше, в качестве рабочих веществ использовались, 1,7-м-карборандикарбоновая кислота (CHBO) и хорошо известная 1,2-о-карборандикарбоновая кислота (CHBO).
2
10
12
На фиг.2. представлено состояние разрядной камеры источника ионов в имплантере после работы на чистом карборане (CBH).
4
12
10
4
На фиг.3 представлено состояние разрядной камеры источника ионов после того, как в качестве рабочего вещества применялась 1,7-м-карборандикарборановая кислота (CHBO). Аналогичная картина наблюдалось при использовании в качестве рабочего вещества в источнике ионов 1,2-о-карборандикарбоновой кислоты.
Экспериментальная проверка показала, что применение предложенного в изобретении способа самоочистки ионного источника и электродов системы экстракции ионов позволило увеличить производительность имплантера ионов карборана, по сравнению с аналогом, не менее 5 раз, за счет увеличения времени работы источника без потери качества генерируемого ионного пучка.