Экспериментальная установка и ее основные модули

Прототипом многофункционального комплекса явилась установка для ионной имплантации с лазерно-плазменным источником ионов, предложенная авторами. Её общий вид схематично представлен на рис.2. В состав многофункционального комплекса для ионно-фотоно-термической обработки входят следующие основные узлы:

· экспериментальная камера с вакуумной системой;

· ионно-имплантационный модуль с лазерно-плазменным источником ионов;

· модуль лазерно-плазменного осаждения;

· модуль импульсного наносекундного лазерного облучения;

· модуль импульсной термообработки на основе электронного пучка;

· система крепления и перемещения образца в экспериментальной камере;

· блок автоматизации.

Рис. 18. Внешний вид макета установки

Основным узлом макета установки является экспериментальная камера с вакуумной системой. За ее основу была взята вакуумная камера от электронного Оже-спектрометра. Однако необходимость обеспечения максимального совмещения технологических воздействий (облучение ионами, фотонами, электронами) в пространстве вакуумной камеры и времени потребовали, с одной стороны, существенной модернизации камеры, а с другой – полной управляемости и автоматизации технологического маршрута формирования субмикронных слоев. В частности, были модифицированы существующие вакуумные вводы и добавлены новые, что позволило, во-первых, реализовать сопряжение необходимых модулей с камерой (рис. 31), во-вторых, обеспечить вращение столика с закрепленным образцом на 360°, его перемещение в плоскости. Вакуумирование экспериментальной камеры осуществлялось турбомолекулярным или магниторазрядным насосом через сильфон, а контроль вакуума в системе – вакуумметром ВМБ-11. Вакуумные условия определяют свободный пробег ионов и электронов, а также необходимую электрическую прочность между высоковольтными частями, находящимися внутри камеры и корпусом камеры.

Рис. 19. Эскиз экспериментальной камеры для ионно-фотонной обработки кремния

1– модуль импульсного наносекундного лазерного облучения

2– модуль электронно-лучевой обработки

3– модуль импульсного наносекундного и микросекундного лазерного напыления

4– ионная пушка для получения ионов низких энергий газообразных веществ (Ar, N, O)

5– шлюзовое устройство

6– вводы контроля и управления

7– вакуумная камера

Рис. 20. Эскиз ионно-имплантационного модуля с лазерно-плазменным источником ионо в

рис. 21.Модуль лазерно-плазменного осаждения

На рис.21 представлен эскиз ионно-имплантационного модуля с лазерно-плазменным источником ионов, который позволяет получать пучки ионов любых твердых веществ с энергией 1-20 кэВ. Основным его элементом является лазер LS-2126 (энергия импульса 150 мДж, частота следования импульсов - 50 Гц). Испарение вещества мишени происходит при плотностях потока излучения выше 10⁷ Вт/см². Образующаяся плазма является мощным импульсным источником заряженных частиц и на значительных расстояниях от мишени представляет собой гомоцентрический квазинейтральный поток, в котором ионы обладают большой энергией направленного движения. Плотность ионного тока, ширина энергетического спектра ионов в потоке плазмы и зарядовый состав плазмы зависят от значения плотности потока лазерного излучения.

С ростом интенсивности лазерного облучения возрастает ширина энергетического спектра ионов плазмы. При плотностях потока 10⁹ Вт/см² в потоке лазерной плазмы будут присутствовать только однозарядные ионы, разлетающиеся практически изотропно. Для получения высокоинтенсивного пучка ионов, обеспечивающего увеличение плотности мощности лазерного импульса до 10⁹ Вт/см², использовалась фокусирующая оптическая система, либо, при необходимости, изменялась энергия накачки лазерного кристалла.

Масс-спектроскопические исследования ионного пучка из лазерно-плазменного источника ионов показали, что в пучке содержится не более 10^-5 % примесей.

Модуль лазерно-плазменного осаждения предназначен для осаждения тонких пленок металлов, силицидов, диэлектрических слоев на поверхности образцов кремния. Включает в свой состав лазер LS-2137, работающий в режиме модулированной добротности (энергия импульса 350 мДж, частота следования импульсов - 10 Гц) с приставкой HG-TF, оптическую систему фокусировки излучения, системы сканирования мишени по заданной программе и системы электродов, на которые подается напряжение до нескольких киловольт. Механизм сканирования должен обеспечивать перемещение луча таким образом, чтобы кратеры от каждого импульса лазера на мишени не перекрывались.

Модуль импульсного наносекундного лазерного облучения, используемый для лазерного отжига имплантированных слоев, импульсной обработки структур металл-кремний, а также стимулирования процессов, протекающих при формировании слоев, состоит из лазера LS-2126 и оптической системы фокусировки и отклонения. Конструктивно выполнен также как и модуль лазерно- плазменного осаждения (рис.32).

Получение высококачественных субмикронных пленок с заданным стехиометрическим составом невозможно без автоматизации процесса осаждения. В комплексе, благодаря автоматизации, было учтено распределение частиц в потоке плазмы, осуществлён динамический контроль и корректировка параметров функционирования отдельных узлов. Это позволило управлять однородностью распределения толщины пленок по площади, варьировать элементный состав.

Дата добавления: 2015-06-27