WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 17 | 18 || 20 | 21 |   ...   | 27 |

Рабочий газ или пары вещества поступают через трубку напуска 1 в рабочую камеру. Термокатод 2 эмитирует электроны, ускоряемые электрическим полем к промежуточному электроду 3. Дуговой разряд зажигается при давлении газа 0,1-1,0 Па в области 5. Плазменный шнур разряда сжимается за счет сужения отверстия промежуточного электрода.

Разряд перебрасывается далее на анод 6, который является составной частью магнитопровода 4. В зазоре между промежуточным электродом и анодом электроны движутся в неоднородном магнитном поле, в результате чего их траектории удлиняются, а вероятность акта ионизации увеличивается. Кроме того, магнитное поле в этой области дополнительно стягивает плазменный шнур разряда до малого диаметра, что приводит к увеличению плотности частиц. Эта область плазмы примыкает к тугоплавкой вставке с анодным отверстием 8, откуда ионы вытягиваются экстрактором 7. Вытягивающий электрод (экстрактор) отделен от основного корпуса дуоплазмотрона высоковольтным изолятором. Определенная конструкция вытягивающего электрода позволяет получать на выходе слабо расходящийся пучок, который фокусируется последующей ионно-оптической системой. Достигаемая яркость такого источника 100 А/см2cр. В дуоплазмотроне можно получить и пучок отрицательных ионов. Для этого отверстие вытягивающего электрода смещают относительно канала в анодной вставке.

Газоразрядный источник типа Пеннинга Газоразрядный источник типа Пеннинга может быть как с термокатодом так и с использованием высоковольтного тлеющего разряда без термокатода.

На рис. 4.5 представлена схема одного из типов пеннинговских источников с горячим катодом.

Рис 4.5. Источник ионов типа источника Пеннинга:

1- камера; 2- система напуска газа; 3- диафрагма; 4- манометрический преобразователь; 5- термокатод; 6- антикатод; 7- отверстие для формирования электронного пучка; 8- вытягивающий электрод;

9- ускоряющий электрод; 10- поток ионов В цилиндрическую камеру - анод (диаметром 30-50 мм и длиной 80-мм) через систему напуска подается поток рабочего газа или паров вещества.

Диафрагма с отверстиями равномерно распределяет поток по сечению камеры. Давление в источнике контролируется с помощью вакуумметра.

Вдоль оси ионизационной камеры натянут прямонакальный вольфрамовый проволочный термокатод. Эмитируемые им электроны ускоряются к аноду - внутренней поверхности камеры. С обоих концов камера через изоляторы ограничена электродами - антикатодами, находящимися под потенциалом катода и ограничивающими движение электронов в осевом направлении.

Разрядная камера помещена в постоянное магнитное поле, направленное по ее оси. Магнитная индукция поля такова, что максимальный циклотронный ларморовский радиус при движении электронов не превышает радиуса цилиндра. При этом уход электронов на анод замедляется, они вынуждены длительное время осциллировать внутри камеры, осуществляя ионизацию молекул газа. Граница области разряда распространяется до антикатодов. В одном из них выполнено отверстие для извлечения ионов из разряда с помощью специального внешнего электрода. Потенциал на этом вытягивающем электроде определяет энергию ионов в потоке. Поперечное сечение потока задается формой отверстия в экстракторе.

В рассматриваемом типе источника ионов обычно падение напряжения на разряде составляет сотни вольт, магнитная индукция порядка 510-3 Тл, а диапазон рабочих давлений - от 0,1 до 1 Па. С целью получения пучков различных диаметров и с большим общим током отбор ионов и их ускорение целесообразно проводить через несколько отверстий в антикатоде.

Газоразрядные источники ионов могут иметь и холодный катод, в этом случае для поддержания разряда требуется более высокое напряжение в том же диапазоне давлений и значений индукции магнитного поля.

Высокочастотные источники ионов Во многих промышленных и лабораторных ионно-лучевых установках применяют высокочастотные источники ионов. Электроны в них, двигаясь по сложным траекториям и совершая колебания с частотой электрического поля, эффективно ионизируют компоненты рабочего газа (пара). Ионный поток извлекается из плазмы разряда. В высокочастотном источнике ионов возбуждение и поддержание разряда осуществляется с помощью высокочастотного генератора, имеющего емкостную или индуктивную связь с разрядником. Отсутствие внутренних электродов позволяет получить более чистые условия по составу газовой фазы.

В ряде установок используется ионная пушка типа "Нильсен". Пушка "Нильсен" сконструирована так, что при применении многих видов примесей, можно получать ионы как из газовой среды, так и из твёрдых веществ. Магнитное поле, используемое в каждом источнике ионов, вызывает вращение движущихся в нём заряженных частиц. При этом эффективная длина орбиты в разрядной камере увеличивается, и создаются условия для эффективной ионизации. Во всех источниках необходимо также учитывать магнитное поле, создаваемое достаточно большим током катода.

Полевые ионные источники В конце 70-х годов появились два типа точечных источников, разработанных для применения в ионно-лучевой литографии, принцип действия которых основан на ионизации атомов вещества при их испарении с поверхности твердого тела под воздействием сильного электрического поля с напряженностью более 108 В/см. Эти источники обладают яркостью, на несколько порядков превышающей яркость плазменных источников. Поле с напряженностью около 108 B/см создается в малой области возле острия эмиттера, где и происходит испарение вещества и ионизация его атомов.

Упомянутые два типа источников различаются способом доставки вещества на острие эмиттера.



В источниках первого типа рабочим веществом является расплавленный металл, который смачивает металлическую вольфрамовую иглу эмиттера, не вступая в химическую реакцию с материалом иглы, и имеет малое давление собственных паров. Испытывались источники с металлами In, Ga, Cs, Au, Si, Ge и их сплавами. Применение, например, источника со сплавом Ge-Au (0,12:0,88) позволяет снизить рабочую температуру иглы до 356 оС.

Схема полевого источника с жидким металлом показана на рис. 4.6.

Рис.4.6. Полевой ионный источник с жидким металлом: а) общая схема;

б) укрупненый вид иглы Центральным узлом конструкции является вольфрамовая игла (эмиттер) диаметром 0,3 мм с радиусом закругления острия 5-10 мкм. Игла проходит через содержащий расплав танталовый резервуар 3, нагреваемый до необходимой температуры нагревателем 1. К игле прикладывается высокий потенциал относительно экстрактора 5, представляющего собой молибденовую диафрагму с диаметром отверстия 1,5 мкм. Источник окружен дополнительным экраном 2. Прикладываемый к эмиттеру потенциал может меняться от 0 до +10 кВ.

Расплавленный в резервуаре 3 металл стекает тонким слоем по игле к ее острию, где силы, обусловленные электрическим полем, превышают силы поверхностного натяжения тонкого слоя жидкости. В результате этого жидкий металл на конце иглы принимает форму конусовидной капли с углом при вершине конуса 98,6. Радиус закругления острия конуса 10-30 нм. При потенциале эмиттера в несколько киловольт напряженность электрического поля в области острия конуса достигает 108-109 B/см, что способствует испарению атомов и их ионизации. Средняя яркость источника А/(см2ср). Конструкция рассмотренного источника является аналогом эмиттера полевого ионного микроскопа и отличается от него рабочим острием.

В источниках второго типа рабочим веществом является газ, который адсорбируется на игле эмиттера и удерживается на ее поверхности под действием поляризационных сил. Десорбция молекул газа и их ионизация происходят на острие иглы эмиттера, где напряженность электрического поля равна или превышает 108 В/см. В качестве эмиттера источника используется игла из монокристаллического иридия, ось которого совпадает с кристаллографическим направлением <110>. Острие иглы, получаемое в процессе электрохимического травления, имеет радиус закругления менее нм. В объём, где расположен эмиттер, подается рабочий газ (Н2) при давлении 1,3 Па. Температура эмиттера и рабочего газа 77 К. Охлаждение происходит жидким азотом. К эмиттеру прикладывается потенциал в несколько киловольт. Вакуум за диафрагмой экстрактора достигает 610-3 Па.

Молекулы рабочего газа в электрическом поле вблизи иглы поляризуются и адсорбируются на ее поверхности. Под действием сил, обусловленных электрическим полем, диполи смещаются к области большей напряженности (к острию иглы), где происходит десорбция атомов и молекул газа и их ионизация. Яркость источников этого типа 109 А/(см2cp).

Выбор конкретного ионного источника определяется в первую очередь технологическими требованиями (плотность тока, форма и размеры пучка), а затем уже учитываются эксплуатационные факторы.

4.3.2. Система вытягивания и ускорения ионов Из любого источника ионы необходимо эффективно извлечь и сформировать ускоренный ионный поток. В плазменных источниках извлечение ионного потока осуществляется через отверстие в стенке разрядной камеры. На небольшом расстоянии от отверстия помещают вытягивающий электрод (экстрактор) с отверстием такой же формы. В зазоре между экстрактором и плазмой имеется слой объемного положительного заряда. Ш ирина слоя объемного заряда и ионный ток через отверстие зависят от ускоряющего напряжения в соответствии с законом трех вторых. Для уменьшения ухода ионов на экстрактор добавляют еще ускоряющий электрод. Необходимо обращать внимание на возможность возникновения пробоя изоляции, который обычно возникает при напряжениях в несколько десятков киловольт. Поэтому используют многосекционную ускорительную трубку, причем энергия ионов в каждой секции увеличивается на 15 - 20 эВ.

В этой трубке напряжение равномерно распределяется между всеми ступенями ускорения.

4.3.3. Система сепарации ионов Во многих ионно-лучевых процессах необходимо использование ионов конкретного изотопа с определенным отношением массы к заряду. Обычно из ионного источника извлекаются ионы нескольких элементов, и для их разделения используют ионные сепараторы. Для разделения ионов по массовым числам используют постоянное магнитное поле, в котором ионы движутся по окружности радиусом Mi vi 2MiU R = =, (4.12) q B B q где Mi, vi, q - масса, скорость и заряд иона; U - ускоряющее напряжение; В - индукция магнитного поля.

Траектории движения электронов различных масс в однородном магнитном поле показаны на рис.4.7. С увеличением отношения массы иона к его заряду радиус описываемой окружности возрастает. Выделение нужных ионов осуществляется с помощью диафрагмы на выходе из сепаратора.

Магнитный сепаратор характеризуется разрешающей способностью, представляющей собой отношение массового числа иона к минимальной фиксируемой прибором разности масс. В промышленных ионно-лучевых установках разрешающая способность Мi/M составляет 50 - 100, а в лабораторных до 1000.

Рис.4.7. Траектории движения ионов в поперечном магнитном поле При ионных токах до 10-4 А в качестве сепаратора можно использовать фильтр Вина, в котором ионы движутся во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях. Напряженности полей обычно подбирают таким образом, чтобы выделяемые ионы двигались по прямолинейной траектории и попадали в отверстие диафрагмы. Все остальные ионы имеют криволинейную траекторию и попадают на пластины конденсатора, создающего электрическое поле.





4.3.4. Системы фокусировки и сканирования Скорости ионов при той же энергии в (mi/me)1/2 раз меньше, чем скорости электронов. Поэтому магнитные линзы, фокусное расстояние которых зависит от заряда и массы частицы, в ионной оптике практически не применяются, так как их фокусное расстояние в реальных системах слишком велико. Основным вариантом являются электростатические линзы, фокусное расстояние которых не зависит от заряда и массы частицы. В ионнооптических системах применяются диафрагмы, иммерсионные и одиночные линзы. На рис.4.8 приведены схематические изображения этих линз и формулы для оценки их фокусного расстояния.

В ионно-оптических системах, так же как и в электронных проявляются различные виды искажений (аберраций). К ним относятся сферические, хроматические аберрации, астигматизм, кома и другие. Особенностью формирования ионных потоков является влияние объемного заряда, гораздо более существенное, чем в электронных пучках. Для одной оптической системы отношение первеансов ионного и электронного потоков равно корню квадратному из отношения масс иона и электрона. Для снижения влияния объемного заряда последний может быть частично нейтрализован вводимыми извне электронами.

Рис.4.8. Конструктивные схемы имерсионных (а), одиночных (б) линз и плоской диафрагмы (в): f - фокусное расстояние; U1 и U2 - напряжения на электродах; E - няпряженность электрического поля При увеличении энергии пучка до 1 МэВ и более эффективность электростатических линз ухудшается, и используются квадрупольные электростатические и магнитные линзы.

Малая скорость ионов по сравнению с электронами проявляется и в увеличении разброса энергии ионов в пучке. Среднеквадратичный разброс энергии ионов пучка после прохождения оптической системы может быть оценен по уравнению: = ro1/2/v, где ro - радиус пучка в кроссовере, - яркость источника, v - скорость движения ионов.

При обработке ионным пучком полупроводниковой пластины её необходимо облучать равномерно. Для этого применяют два различных метода.

1.Диаметр ионного пучка, облучающего поверхность образца, должен быть больше размеров образца, распределение плотности ионного тока по образцу должно быть равномерное. В этом случае вместо фокусирующей линзы используют дефокусирующую.

2.Диаметр ионного пучка делают малым, а затем сканируют его по поверхности образца. Система сканирования необходима не только для равномерной обработки пластины, но и для направления пучка в нужную его часть. Полупроводниковую пластину устанавливают на месте коллектора анализатора ионов по массам. Так как при легировании возникает необходимость свободно изменять температуру и угол легирования, пластина устанавливается в камере для образцов, в которой можно проводить все эти регулировки.

Применимость магнитной отклоняющей системы для сканирования ионного пучка также сильно ограничена из-за малой чувствительности и возможна лишь при высоких энергиях ионов, более 105 эВ. При меньших энергиях применяются электростатические системы отклонения.

Сканирование пучка осуществляют отклонением его электрическим полем в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях. При этом высокая однородность дозы облучения достигается при сравнительно небольших площадях сканирования. При достаточно больших площадях рисунка часто используется механическое сканирование. Перспективным для электронной техники является комбинированный способ сканирования, когда в пределах одной структуры оно проводится с помощью электрических полей, а переход от структуры к структуре осуществляется механически. Сравнительно малые скорости движения ионов ограничивают и быстродействие ионно-лучевой системы (скорость сканирования).

4.3.5. Вакуумные системы, приемные камеры, устройства контроля Для проведения ионно-лучевых процессов необходим вакуум порядка 10-4 - 10-5 Па. Конкретная величина давления определяется требованием отсутствия столкновений ионов с молекулами остаточных газов, которые могут привести к дефокусировке пучка, перезарядке и нейтрализации ионов.

Очень важен состав остаточных газов, особенно в области мишени. Наличие паров масел может привести к загрязнению поверхностных слоев продуктами их разложения, поэтому в ионно-лучевых установках применяют главным образом безмасляную откачку (цеолитовые, турбомолекулярные и ионно-сорбционные насосы). Особые требования предъявляются к элементам системы напуска рабочих газов или паров в ионный источник. В некоторых случаях используются системы с дифференциальной откачкой ионного источника.

Приемная камера установки содержит держатели обрабатываемых изделий и систему механического сканирования образцов. В качестве держателей могут использоваться вращающиеся барабаны или подвижные координатные столы. При необходимости в приемной камере монтируют нагреватель для подогрева образцов до нужной температуры и устройства для измерения температуры.

В процессе работы установки необходимо контролировать величину ионного тока в пучке и дозу облучения изделия. Регистрацию силы тока осуществляют с помощью коллекторов ионов - цилиндров Фарадея. Один или несколько коллекторов устанавливают в приемной камере между обрабатываемыми изделиями для непрерывного контроля тока и дозы.

Pages:     | 1 |   ...   | 17 | 18 || 20 | 21 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.