Содержание к диссертации
Введение б
Глава 1?. Особенности генерации заряженных частиц в газовых разрядах низкого давления:,* перспективных для ионных источников технологического назначения . v V :.ц v V II I.I. Пути повышения эффективности генерации
заряженных частиц при низких давлениях V II
Г.Г.І. Разряд в поперечном магнитном поле . . 13
1^1.2. Свойства контрагированного разряда v . 16
I.I.3. Разряд с термокатодом,контрагированный
кольцевой щелью с радиальным магнитным
полем в ней 'i v . 24
Г.2; Газоразрядные источники интенсивных ионных пучков на основе рассмотренных разрядов ........ v 28
1%2Л, Плазменные ускорители с замкнутым
дрейфом электронов . . ї . 29
Iv2.2. Дуоплазматрон и дуопигатрон . . . . 37
I.2V3. Источник ионов на основе разряда с
термокатодом, контрагированного кольцевой щелью с радиальным магнитным полем
в ней 42
ї'.2.4. Источник ионов с замкнутым дрейфом
электронов в ускоряющем промежутке ; ''.; 47
Глава 2'і' Исследование контрагированного разряда
с замкнутым дрейфом электронов 53
2^'Ifc Исследование перехода к самостоятельному режиму контрагированного разряда с замкнутым дрейфом электронов fc '. 54 21.2^ Структура разряда,1 контрагированного в скрещенных электрическом и магнитном полях с холодным полым катодом „ . v .67
2.2.1. Техника эксперимента 67
2;.2.2. Результаты экспериментов . ... :. 69
2.2.3v Обсуждение экспериментальных результатов . 77
2.3; Механизм генерации заряженных частиц в
разряде, контратированном в скрещенных
полях, с холодным катодом ; v 81
2.4;. Свойства разряда с холодным полым
катодом как эмиттера ионов . ... 83
Выводы 92
Глава У'к Расчетная модель разряда, контрагированного в скрещенных электрическом и магнитном полях, с холодным полым катодом t 94
Расчетные соотношения . . . ... 94
Определение коэффициентов ..... І0Ї 3.3V Расчет внешних характеристик разряда
и их сравнение с экспериментом . . . 107
Выводы . 1X9
Глава 4. Проектирование эмиттера для источников ионов на основе разряда с холодным полым катодом,1 контрагированного в скрещенных электрическом и магнитном полях v ;. . 123 4.1. 3счет геометрии электродов разрядной
камеры 124
4.1.1. Размеры катодной полости и системы
извлечения 126
4.1.2. Геометрия контрагирующей щели ..... ЇІ29
4;2. Методика инженерного расчета источника
ионов на основе разряда,1 контрагирован
ного в скрещенных полях,' с холодным по
лым катодом . ' fc І4б
Выводы v 149
Глава 5v Источники ионов на основе контрагированного разряда с замкнутым дрейфом электронов и их применение для технологических операций в вакууме . v . . . 153
5.1v Источник ионов на основе разряда с
холодным полым катодом,' контрагированного в скрещенных электрическом и магнитном полях ......... 154
Конструкция источника ионов . . . . . 154
Принцип действия и характеристики
источника ионов ; 157
5.2і. Источник ионов на основе разряда с
термокатодом,' контрагированного в
скрещенных полях 164
Источник ионов инертных газов . ;. v 165
Источник ионов металлов . 170
Рекомендации по применению раз
работанных источников ионов . , і 176
Выводы v ; V 178
Заключение 179
Литература 182
Приложение I ';< 199
Введение к работе
Прогресе современной микроэлектроники в направлении уменьшения размеров элементов до микронного и субмикронного диапазонов требует нового, более совершенного, технологического оборудования на базе ионнолучевой обработки материалов в вакууме [і - 4] . Наиболее ответственным звеном такого оборудования являются источники ионных пучков, которые в значительной мере определяют его производительность и экономичность, качество выпускаемых изделий, а также диапазон реализуемых технологических операций.
Источники ионов кроме традиционного обеспечения высоких газовой и электрической экономичностей, надежности и простоты эксплуатации [ І ] і должны удовлетворять специальным требованиям технологического процесса.
Для ряда применений (травление маскированных пленок при изготовлении интегральных схем и фотошаблонов, очистка подложек и
т.п.) требуются сплошные ионные пучки площадью в десятки и сот-
ни см с равномерным распределением плотности тока ионов
~ I мА/ см2 по сечению пучка в непрерывном режиме [ 3 - 12] <;
Выходные параметры источников главным образом определяются возможностями эмиттера ионов, в качестве которого обычно используется разряд с термокатодом. Высокоэффективным эмиттером ионов является разряд, контрагированный в скрещенных электрическом и магнитном полях, [5-7] совмещающий достоинства сжатого разряда и разряда с замкнутым дрейфом электронов. Наличие термокатода в источниках ионов ограничивает область их применения химически инертными средами.
Для повышения производительности и качества ряда технологи-і ческих операций, например: снятие маскирующих слоев в производстве микросхем, осакдение изолирующих пленок и дрї,- требуются пучки ионов активных газов [11,12 Jv Известных источников и эмиттеров ионов, отвечающих комплексу перечисленных требований, нетЛ1оэтому создание эффективного эмиттера ионов активных газов является актуальной задачей и расширит возможности ионнолучевой технологии в микроэлектронике,оптическом приборостроении и др;-,
При решении этой задачи целесообразно реализовать такие преимущества вышеуказанного разряда с термокатодом,как высокая степень ионизации рабочего газа и расходящийся интенсивный поток ионов в направлении эмиссионного электрода,которые достигаются за счет замкнутого дрейфа электронов в области повышенного давления и отбора ионов с катодной стороны разряда-. Низкое давление ( ^ 10 Па)в области катода позволяет Формировать эмиссионную поверхность большой площади и транспортировать к ней ионы практически без потерь.' Такая схема построения эмиттера ионов делает проблематичным переход к самостоятельному разряду с холодным катодом и требует решения вопроса,1 связанного с генерацией ионизирующих электронов при столь низком давлении в области катодаv
Для рационального применения разряда в качестве эмиттера ионов необходимо знать его структуру,условия образования ионов и их выхода на границу токоотбора*.- Проектирование источников ионов значительно упрощается,- если разработать расчетную модель разряда ^устанавливающую взаимосвязь выходных параметров с геометрией электродов и условиями в разрядной камере1**
Основное направления диссертационной работы сформулированы следующим образом:
8 ;
экспериментальное исследование перехода к самостоятельному разряду с холодным катодом в электродной системе с кольцевым магнитным зазором в промежуточном электроде;
экспериментальное исследование условий существования, структуры и параметров разряда с холодным катодом;
разработка расчетной модели разряда и, на ее основе, методики инженерного расчета эмиттера ионов с холодным катодом;
разработка и совершенствование источников ионов различных веществ, включая ионы активных газов и тугоплавких металлов, на основе проведенных исследований и их внедрение в производство.
В ходе работы применялись следующие методы исследований:систематический анализ и обобщение литературных данных с целью использования последних достижений и выявления перспектив развития; методы электростатических зондов и задерживающего потенциала при экспериментальном исследовании параметров разряда, а также методы обработки зондовых и тормозных характеристик; различные аналитические методы с использованием средств вычислительной техники.
На защиту выносятся следующие основные научные положения
и результаты: „,,..-'
С I. Переход к самостоятельному разряду в эмиттере ионов с
[ кольцевой контра гирующей щелью в промежуточном ялектроде при ; отборе ионов в вакуум с катодной стороны сужения разряда достиг гается за счет размножения электронов как в катодной полости при ее линейных размерах, превышающих ширину щели более чем на порядок, так и в щели при увеличении радиального магнитного по-
9 ля в ней, и подключения промежуточного электрода к катоду,
2Г,- Минимальная "цена иона в разряде" с холодным полым катодом," контрагированном кольцевой щелью с радиальным магнитным полем в ней,1 обеспечивается при определенном соотношении энергетических затрат на образование ионов одним ионизирующим электроном в катоде и в щели,' которое регулируется параметром Холла, харак-) теризующим степень замагниченности ионизирующего электрона в щели1;-
3>, Оптимизирующим геометрическим фактором на получение максимальной электрической экономичности разряда является отношение глубины контрагирующей щели к ее ширине. Увеличение электрической экономичности за счет снижения потерь ионов на стенках щели при уменьшении отношения ограничено переходом к однокаскадной схеме размножения электронов с более высокой "ценой иона в разряде" V
4, Совокупность высоких электрической и газовой экономично-
стей, интенсивности пучка ионов активных газов, равномерности
распределения плотности тока ионов по сечению пучка большой пло
щади обеспечивается источниками ионов при использовании в них
для генерации заряженных частиц контрагированного разряда с зам
кнутым дрейфом электронов с холодным полым катодом.
5. Высокие коэффициент использования рабочего вещества и
содержание ионов тугоплавких металлов в пучке обеспечивают источ
ники ионов на основе контрагированного разряда с замкнутым
дрейфом электронов за счет катодного распыления требуемого метал
ла непосредственно в зону интенсивной генерации ионов при разме
щении его на центральном стержне в области сжатия разряда и по-
10 даче на стержень отрицательного потенциала относительно катода.-
В первой главе рассматриваются особенности разрядов, перспективных для технологических источников интенсивных ионных пучков большой площади поперечного сечения, конструкции и параметры источников на основе таких разрядов, определяются основные направления работы;.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию перехода к самостоятельному разряду с холодным катодом, исследованию структуры и эмиссионных свойств разряда с холодным катодом, обоснованию механизма генерации заряженных частиц в разряде.
Третья глава посвящена разработке расчетной модели разряда, расчету внешних характеристик разряда и их сравнению с экспериментальными даннымиv
В четвертой главе предложена методика инженерного расчета геометрических размеров электродов разрядной камеры, определяющих образование ионов и их выход в пучок, а также выбор режима работы источника ионов.
В пятой главе приводятся конструкции и выходные параметры источников ионов технологического назначения, разработанные в результате проведенных исследований, и основные результаты их внедрения в производство'.
