Источники ионов

Наиболее часто в ускорительной технике применяют плазменные ионные источники, в которых ионы вытягиваются из газоразрядной плазмы. Плазма образуется в ограниченном объеме при ионизации нейтрального газа электрическим полем в газовом разряде или электронным ударом. Образовавшиеся ионы через систему отверстий попадают в пространство, где происходит формирование ионного пучка и его предварительное ускорение до энергии 10—50 кэВ. Высокую конечную энергию ионы приобретают в ускорительном промежутке.

Давление в камере ионного источника (1—0,1 Па) намного больше, чем в камере ускорителя (10^-3 – 10^-4 Па), поэтому молекулы нейтрального газа уходят из разрядной камеры. Эта убыль пополняется за счет непрерывного напуска газа в камеру. Для уменьшения расхода газа стремятся поддерживать в разрядной камере невысокое давление. Однако при этом может произойти существенное уменьшение объемной плотности ионов, которое компенсируется усилением ионизации за счет увеличения длины пути электронов в газе.

Обычно ионный источник состоит из разрядной камеры, в которой образуется плазма; устройства для непрерывного напуска газа; источника, сообщающего электронам энергию, необходимую для ионизации газа; катода; устройства для формирования и предварительного ускорения ионного пучка и системы охлаждения электродов.

Сравнительная оценка различных типов ионных источников, а также их выбор для использования в конкретных ускорителях осуществляется по процентному содержанию атомарных ионов в пучке, моноэнергетичности пучка, току пучка и его стабильности во времени. Кроме этих параметров важно знать ток разряда, расход газа, срок службы, способ охлаждения.

Газы, применяемые в ионных источниках, обычно состоят из двухатомных молекул: водорода, дейтерия, кислорода, азота. Поэтому при ионизации могут образоваться атомарные, молекулярные и многозарядные ионы. Условия ускорения каждой группы ионов различны, поэтому стремятся обеспечить наличие в пучке только наиболее устойчивых атомарных ионов. В ионных источниках содержание атомарных ионов составляет 50-90%.

Устройства для создания потоков низкотемпературной плазмы, обычно используемой в технологии микроэлектроники, называются плазмотронами. В зависимости от способа ионизации газа различают дуговые и индукционные плазмотроны. В дуговых источниках плазма образуется посредством сильноточного разряда, а в индукционных – используется СВЧ разряд.

В газоразрядной плазме ионы имеют различную энергию (от единиц до сотен эВ). Ее значение зависит от многих факторов: тока разряда, давления газа, условий ионизации. Разброс энергии ионов затрудняет формирование пучка с заданным сечением и вносит погрешность в измерения.

В ионном источнике с разрядом Пеннинга (рис.46) плазма создается в дуговом разряде и усиливается за счет осцилляции электронов в продольном магнитном поле. Анод 3 имеет форму плоского кольца или полого цилиндра, по обеим сторонам которого на некотором расстоянии расположены два катода 2 и 4, имеющих обычно форму плоских дисков. В одном из катодов 4 имеется отверстие. Магнитное поле создается постоянным магнитом 1 и ориентировано вдоль оси системы.

Рис.46. Схема источника с разрядом Пеннинга.

При определенной разности потенциалов между анодом и катодами возникает газовый разряд. При этом большинство электронов, двигаясь под действием сил со стороны электрического и магнитного поля в направлении анода от одного из катодов, пролетает мимо анода, тормозится электрическим полем и двигается обратно. Таким образом, электроны совершают колебания относительно анода. Прежде чем попасть на анод, электроны многократно пролетают пространство между катодами, ионизуя газ.

При этом образующиеся ионы двигаются к катодам, пролетают через отверстие в одном из них и вытягиваются электродом 5, попадая в пространство фокусировки и предварительного ускорения.

Напряжение горения разряда зависит от материала катодов (Al, Mg, Be, Fe – 350-500 В). Типовые размеры источника следующие: расстояние между катодами 25 мм, диаметр отверстия в катоде 1-2 мм, индукция магнитного поля около 0,1 Тл.

Эти источники могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Анодное напряжение не более 2-3 кВ, ток пучка 1-10 мА в непрерывном и 10-300 мА в импульсном режиме.

Основной недостаток таких источников – большой разброс энергий ионов (до 100 эВ), но они просты в эксплуатации и могут применяться как в линейных, так и в циклических ускорителях.

В индукционном ионном источнике (рис.47)плазма создается высокочастотным безэлектродным разрядом. В стеклянную или кварцевую цилиндрическую трубу 2 (диаметр 40-50 мм, высота 120-170 мм) с одного конца впаян металлический ввод – анод 1. Другой конец приварен к фланцу 4, при помощи которого он прикреплен к системе фокусировки и ускорения.

Рис.47. Схема высокочастотного ионного источника.

Со стороны фланца установлен катод 5, имеющий осевое отверстие диаметром 2-3 мм. Через канал 6 газ входит в разрядную камеру. Катушка 3 выполняет роль индуктивности контура. С помощью катушки внутри трубки создают ВЧ электромагнитное поле, которое при достаточной напряженности приводит к возникновению безэлектродного ВЧ разряда. Этот разряд поддерживается благодаря ионизационным процессам, протекающим в объеме разрядной камеры. Для улучшения характеристик разряда на ВЧ поле накладывается постоянное магнитное поле.

Плазма ВЧ разряда заполняет объем трубки. Вблизи катода образуется слой ионов, т.к. электроны уходят от катода, потенциал которого ниже потенциала плазмы. Размеры этого слоя зависят от приложенного напряжения. При этом ионы из прикатодного слоя будут двигаться к катоду, и значительная часть их выйдет через отверстие в систему формирования пучка.

Ток пучка таких источников в непрерывном режиме достигает 10 мА, напряжение на вытягивающем электроде 3-5 кВ, частота ВЧ поля 10-15 МГц, давление газа 1 Па. Разброс ионов по энергии 1-2 эВ.

Наиболее совершенный источник– дуоплазмотрон (рис. 48), в котором для получения ионов используют дуговой разряд с термокатодом при наличии магнитного поля. В нем плотность плазмы увеличивается путем последовательного сжатия потока электронов в электрическом и магнитном поле.

Основные элементы конструкции: термокатод 5, промежуточный электрод 6, анод 7, вытягивающий электрод 8, катушка электромагнита 3, система охлаждения 4, трубка для напуска газа 1, изоляторы 2.

Рис. 48. Схема дуоплазмотрона.

В промежуточном электроде (Fe) сделано отверстие малого диаметра. Анод (Fe) имеет вольфрамовую вставку с отверстием. В зазоре между анодом и промежуточным электродом возникает неоднородное магнитное поле. На катод подают напряжение около –100 В, на промежуточный электрод – около –50 В, на вытягивающий – (5-60) кВ. Анод заземлен.

Под действием разности потенциалов между катодом и промежуточным электродом возникает дуговой разряд низкого давления. В сужении промежуточного электрода происходит сжатие разряда и существенно возрастает плотность заряженных частиц. При движении электронов к аноду на них действует магнитное поле, в результате чего происходит дополнительное сжатие разряда и возрастание концентрации ионов до 10¹² – 10¹⁴ см^-2. При такой плотности плазма приобретает положительный потенциал относительно анода, и часть электронов возвращается обратно в плазму, а поток ионов к аноду возрастает.

Отбор ионов из области анодного отверстия происходит под действием электрического поля вытягивающего электрода. В дальнейшем пучок попадает в систему фокусировки.

Разброс энергии ионов не превышает 10 эВ, ионный ток в импульсном режиме достигает 1 А, рабочее давление - 1 Па.

Можно выделить еще источники с поверхностной термической ионизацией. Принцип их работы заключается в следующем. На разогретой поверхности адсорбируются атомы, имеющие меньший потенциал ионизации, чем работа выхода электронов из адсорбента. Тогда адсорбированные атомы отдают внешний электрон адсорбенту и покидают поверхность в виде иона. Преимущества таких источников - отсутствие многозарядных ионов, малый разброс энергий (0,1 эВ), но ток пучка мал и составляет от 10^-8 до 10^-4 А/см².

Основные параметры плазмотронов следующие.

- мощность, может достигать 10 МВт,

- средняя температура плазменной струи, для многоатомных газов лежит в интервале (6-8)10³ К, для одноатомных – 10⁴ К,

- скорость истечения плазмы – 10²-10⁶ см/с,

- к.п.д., составляет от 50 до 90%,

- срок службы, обычно несколько сотен часов.

Устройства для разделения ионов.

Обычно вытягиваемый из источника поток ионов неоднороден по составу. В нем присутствуют ионы различных элементов с разной массой и зарядом. Сами ионы имеют разброс по энергии и скорости. Это делает затруднительным промышленное использование таких ионных пучков. Для разделения ионов по массе и заряду применяют различного вида сепараторы.

Так как уравнения движения заряженных частиц в электростатическом поле не зависят ни от массы, ни от заряда частиц, а определяются только их энергией, то для разделения частиц необходимо использовать магнитное поле.

Наибольшее распространение получили следующие устройства: с постоянным магнитным полем, со взаимно ортогональными постоянными магнитным и электрическим полем (фильтр Вина), с одновременным воздействием постоянного и переменного электрических полей. Фильтрацию ионов по энергии осуществляют в энергоанализаторах в основном электростатического типа.

В однородном магнитном поле на движущийся поток ионов действует сила Лоренца. В результате ионы движутся по окружности радиуса r (м):

r = P/qB =143,95*10⁴/В*(МU/n)^1/2

где Р- импульс частицы, В – магнитная индукция, (Т), U – ускоряющее напряжение (кВ), М – масса иона (атомная единица массы), n – кратность заряда иона.

При этом ионы разной массы двигаются по разным траекториям. Коллектор ионов помещается на определенной выбранной траектории. Изменяя В или U, можно выбирать тип ионов (по массе и заряду), попадающих в коллектор. При этом одновременно с выбором типа иона происходит и фокусировка каждого выделенного пучка.

В большинстве промышленных и исследовательских установок применяются секторные магнитные системы, в которых поворот пучков происходит на углы, меньшие 180 градусов. Радиус траектории движения частиц зависит от отношения М/q. Ионы с большей массой имеют плавную траекторию, а с меньшей – более искривленную. При этом в одном процессе ионы одного типа (например, бора) поворачиваются на 90 градусов, а ионы другого типа (например, фосфора) – на 60 градусов.

В ряде установок для сепарации ионов применяют устройства со скрещенными магнитными и электрическими полями (фильтры Вина). Движущиеся ионы проходят пространство между пластинами конденсатора и полюсами магнита. На них действуют две противоположно направленные силы. Для ионов с определенным значением массы и скорости эти силы уравновешены, и ион движется по прямой линии. В противном случае траектория искривляется. При данном отношении М/q справедливо соотношение:

M/q=U(B/E)²,

где B и Е – напряженность магнитного и электрического полей.

Для создания однородного поля имплантации служат сканирующие системы.

Различают электростатические системы сканирования, магнитные системы сканирования за счет отклонения ионного пучка в электрическом или магнитном полях, механические системы за счет перемещения мишени под неподвижным пучком, а также комбинированные системы (электрические или магнитные поля и механическое сканирование).

Промышленные установки ионной имплантации разделяются по дозе. При имплантации малых и средних доз используется установка с совмещенным инжектором (см.рис.49).

Рис. 49. Схема установки для имплантации малых и средних доз ионов.

1-система газонапуска, 2- источник питания, 3-ионный источник, 4-фокусирующий магнит источника, 5-ионный пучок, 6-масс-сепаратор, 7-высоковольтный блок, 8-каркас с защитной обшивкой, 9-разрешающая апертура, 10-входное отверстие ускорительного тракта, 11- ускорительная трубка, 12- фокусирующая линза, 13,14-системы сканирования, 15-приемная камера, 16-полупроводниковая пластина, 17,18-цилиндры Фарадея.

Для имплантации больших доз используются ускорители типа «Везувий 4,8,9», схема которого приведена на рис. 50.

Рис. 50. Схема установки «Везувий 8М.»

Чаще применяются ионно-лучевые ускорители (ИЛУ), основным элементом которых является масс-сепаратор секторного типа с симметричным расположением источника и коллектора ионов относительно магнитного анализатора. Схема типового ионного ускорителя представлена на рис. 51.

Рис. 51. Схема ионно-лучевого ускорителя

1-источник ионов, 2-магнитный анализатор, 3- мишень, 4-диффузионные насосы.

Дата добавления: 2014-01-04