Оборудование для ионной имплантации
Оборудование для ионной имплантации. Принцип работы любой установки для ионной имплантации состоит в ионизации в ионном источнике газообразных, жидких или твердых веществ и ускорении ионов в электростатическом поле. После разделения ионного пучка по массе сепарированный пучок ионов направляется на мишень-образец, находящийся в вакуумной камере. Для обеспечения однородности распределения заряда на поверхности проводят сканирование. Дозу имплантации определяют интегратором тока. Установки для ионной имплантации различаются способами ускорения, напряжением, способами фокусировки, источниками питания.
Установка для ионной имплантации включает: ионный источник У; системы ускорения и фокусировки ионов, разделения пучка ионов по массе, сканирования пучка 6; приемную камеру 2 и вакуумную систему. Имеется несколько типов ионных источников, основанных на различных принципах ионизации: электронным ударом, фотоионизация, химическая ионизация.
Источники с ионизацией атомов на разогретой поверхности твердых тел находят применение в исследовательских установках. Основное преимущество источников этого типа — малый разброс ионов по энергиям, основной недостаток — сравнительно малые токи. Такие источники используются при контролируемом нанесении пленок щелочных и щелочно-зе-мельных металлов, для получения пучков малого диаметра, в установках для получения узловых закономерностей при взаимодействии ионов с твердым телом, при анализе материалов.
Источник ионизации электронным ударом типа Нира применяется в масс-спектромет-рических устройствах. Сила выходного тока не превышает нескольких микроампер вследствие низкой ионизации (10~5). Разброс по энергиям составляет 2…3 эВ. В источниках типа плазмотрона также используется ионизация атомов электронным ударом. Они обеспечивают значительные ионные токи при малом разбросе ионов по энергиям, не превышающем 10 эВ. Основной недостаток — необходимость использования блоков электрического питания, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.
В промышленных установках ИЛУ-4 и ,гВезувий-4″ применены источники с дуговым разрядом в парах рабочих веществ. Кроме того, для стабильного поддержания дугового разряда используется также ионизация электронным ударом. Рабочим веществом может быть газ (например, аргон), водород, гелий или пар (например, фосфор). Главным преимуществом дуговых источников является получение ионных пучков с большой силой тока. К недостаткам относятся сложный состав получаемого ионного тока, необходимость специальной стабилизации разряда, разброс ионов по энергиям, неравномерность плотности тока по сечению пучка.
В газоразрядных источниках с горячим катодом типа Пеннинга ионизация молекул и атомов осуществляется электронным ударом. Источники такого типа характеризуются значительным (менее 100 эВ) разбросом ионов по энергиям. В составе пучка находятся ионы материалов электродов, подвергнутых ионной бомбардировке и распылению. Такие источники используются в установках для обработки материалов ионными пучками, нанесения покрытий.
В высокочастотных разрядных ионных источниках электроны получают необходимую энергию для ионизации атомов, ускоряясь в электрическом высокочастотном поле. Разброс ионов по энергиям в таких источниках составлял 50… 100 эВ, а в новых конструкциях он снижен до 1…2 эВ. Основными недостатка- ми высокочастотных разрядных источников являются необходимость тщательного экранирования с целью исключения влияния высокочастотных наводок на измерительную аппаратуру, трудность получения ионов металлов, неспособность работать при повышенных температурах, необходимость контроля параметров и управления ими, недостаточно длительный цикл непрерывной работы (50… 100 ч). Однако высокочастотные источники характеризуются простотой конструкции и надежностью работы, на изготовление не требуется больших затрат, удобны в эксплуатации, отличаются экономичностью.
Для получения тяжелых ионов можно использовать источники с дуговым разрядом в парах материалов электродов. В установках с такими источниками используются ионные пучки и ускоренная плазма. Плазменные ускорители применяют, например, для высокоскоростного нанесения пленок, откачки газов. Они экономичны, высокопроизводительны, универсальны. В некоторых случаях находят применение лазерные ионные источники, в которых разброс ионов по энергиям составляет 0,2…0,5 эВ, искровые ионные источники, позволяющие «получать многозарядные ионы, но отличающиеся невысокой стабильностью ионного тока; источники с тлеющим разрядом, в которых обеспечивается высокая плотность тока, но затруднено измерение энергии ионов и невелика глубина их проникновения.
Высокие энергии сообщаются ионам с помощью систем ускорения двух типов: в одиночном зазоре между двумя электродами и в многозазорных ускорительных секциях. Одиночные зазоры надежно работают при ускоряющих напряжениях 40 кВ, но при напряжении свыше 100 кВ в подобной системе ускорения появляются пробои. Более надежны многозазорные ускорительные секции, обеспечивающие постепенный рост энергии ионов в каждом зазоре на 15…20 кэВ. Для фокусировки ионов применяют электростатические линзы (одиночные, иммерсионные, диафрагмы с отверстием).
