Установка локального ионного травления диэлектрических поверхностей

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, может быть использовано в электронно- и ионно-лучевой технологии, а также в технологии тонких пленок. Известно устройство ионной очистки (патент РФ №2192501 «Способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку»). Устройство включает в себя генератор плазмы, в качестве которого использован дуговой разряд, причем катод размещен в вакуумной камере, а сама камера служит анодом. Очищаемая подложка размещена в вакуумной камере вблизи катода, но прикрыта заслонкой, предотвращающей попадание на подложку испаряемого с катода материала. В вакуумную камеру напускается инертный газ (аргон). Подача от отдельного источника отрицательного потенциала на подложку приводит к ее очистке за счет бомбардировки ионами инертного газа. Недостаток данного устройства состоит в невозможности ионной очистки поверхности диэлектрика, поскольку отрицательный потенциал на диэлектрике не может быть сформирован простым подключением к источнику напряжения.
Известно также устройство ионного травления поверхности диэлектрика (патент РФ №2526654 «Способ импульсно-периодической ионной очистки поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями»). В этом устройстве, содержащем генератор плазмы на основе дугового разряда, диэлектрическая подложка, предназначенная для ионного травления, размещена на металлическом держателе, подключенном к источнику высокочастотного импульсного напряжения. В этом случае в отрицательный полупериод напряжения происходит ионное травление, а в положительный - компенсация накопившегося ионного заряда. Недостатком устройства является невозможность локального травления из-за формирования отрицательного потенциала на всей поверхности диэлектрической подложки.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является устройство обработки (патент РФ №2187168 «Устройство для ионной обработки материалов»). Устройство содержит генератор плазмы и систему формирования непрерывного ионного потока, состоящую из двух параллельно расположенных электродов с соосными отверстиями. Указанное устройство позволяет производить обработку диэлектрической поверхности, т.к. ускоряющая разность потенциалов создается не между плазмой и обрабатываемым материалом, а между электродами ускоряющего промежутка. В заявляемой форме устройство осуществляет травление всей поверхности материала. Локальное травление может быть обеспечено применением масок, что, однако, приведет к использованию лишь некоторой доли ионного потока, а следовательно, к низкой энергетической эффективности устройства.
Цель заявляемого технического решения состоит в повышении энергетической эффективности локального ионного травления диэлектрических поверхностей. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве ионного травления, содержащем рабочую камеру и генератор плазмы, в качестве генератора плазмы использован источник ленточного электронного пучка, размещенный на одном из фланцев рабочей камеры, а на другом фланце рабочей камеры размещен источник сфокусированного электронного пучка, причем оси обоих источников ориентированы взаимно перпендикулярно, а в рабочей камере создано давление 2-10 Па. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение энергетической эффективности локального ионного травления диэлектрических поверхностей.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг. На боковом фланце рабочей камеры 1, откачиваемой механическим форвакуумным насосом, установлен плазменный электронный источник 2 ленточного электронного пучка. Параксиальность пучка создается электромагнитной системой 3. На верхнем фланце рабочей камеры расположен плазменный источник 4 с фокусирующей системой 5, обеспечивающий формирование сфокусированного электронного пучка. Контроль тока ленточного пучка осуществляется токовым прибором 6, подключенным к коллектору 7. В рабочей камере размещен диэлектрический объект 8, поверхность которого подвергается локальному ионному травлению. Отличие от прототипа состоит в использовании в качестве генератора плазмы источника ленточного электронного пучка и в наличии дополнительного элемента - источника сфокусированного электронного пучка.
Установка работает следующим образом. По достижении в рабочей камере давления 2-10 Па включают плазменный электронный источник 2. Ленточный электронный пучок 9, распространяясь в рабочей камере, создает плазму 10, потенциал которой практически равен (отличие в несколько вольт) потенциалу коллектора 7, который, как правило, заземлен. Включение источника 4 обеспечивает формирование сфокусированного электронного пучка И, который, попадая на диэлектрический объект 8, создает на его поверхности пятно диаметром, равным диаметру пучка, с отрицательным потенциалом.
Ускоряясь этим потенциалом, ионы из плазмы, созданной ленточным пучком, бомбардируют поверхность диэлектрика, обеспечивая локальное ионное травление.
Диапазон давлений 2-10 Па выбран из условия обеспечения тока и энергии ионов необходимых для травления. При давлении менее 2 Па плазма имеет низкую концентрацию, что не позволяет создать ионный поток достаточной плотности, а при давлении выше 10 Па не удается обеспечить отрицательный потенциал, достаточный для ускорения ионов до энергий, необходимых для травления материала. Повышение энергетической эффективности по сравнению с прототипом обеспечивается использованием всего ускоренного ионного потока для локального травления.
2
3
2
2
Полезный эффект от использования предлагаемой установки продемонстрирован в эксперименте. В качестве объекта травления была выбрана полированная пластинка поликора (AlO) размером 50×60 мм. Плазма создавалась в атмосфере аргона, давление которого равнялось 2 Па, ленточным пучком с поперечным сечением 5×100 мм, током 100 мА и энергией 4 кэВ. Пластинка поликора располагалась на расстоянии 1 см от границы пучка. Электронный пучок от второго источника был сфокусирован на пластинке поликора в пятно диаметром 3 мм. Ток и энергия сфокусированного пучка составляли соответственно 10 мА и 3 кэВ. Облучение поликора продолжалось в течение 1 мин. После чего пластинка извлекалась из рабочей камеры. Измерения глубины ямки травления, выполненные с помощью микроинтерферометра МИИ-4, дали значение ~ 100 нм.
Аналогичного результата можно добиться с помощью устройства, взятого за прототип. Однако при этом придется закрыть маской всю пластинку, оставив незакрытой пятно диаметром 3 мм. Энергия ионного пучка, приходящаяся на замаскированную часть площади пластинки, будет потрачена впустую. Эффективность использования ионного потока окажется равной отношению площадей, в то время как в предлагаемой установке весь формируемый ионный поток используется для локального травления. Следует заметить, что при облучении пластинки поликора электронным пучком в отсутствие плазмы имел место разогрев пластинки, но травления не наблюдалось.