2.3 Система формирования и управления ионным пучком

2.3.1 Система экстракции

Особое место в формировании ионных пучков принадлежит устройству экстракции пучка, которое является первым, а иногда и единственным фокусирующим элементом инжектора. Система извлечения и первичного формирования пучка для слаботочных источников ионов обычно представляет собой трехэлектродную одиночную или иммерсионную линзу с аксиально-симметричной оптикой. В сильноточных экстракторах используется щелевая оптика.

Для стабильной работы экстрактора от ионного источника требуется неизменность во времени полной интенсивности ионного пучка, его состав /15/.

Геометрия элементов источника в процессе эксплуатации подвергается непрерывным изменениям из-за износа в результате катодного распыления. Поэтому форма границы плазмы меняется во времени и должна регулироваться воздействием тока и напряжения разряда, напряженностью магнитного поля и скоростью изменения давления газов или паров рабочих веществ, а также изменением потенциала экстракции. Форма границы плазмы может считаться первым наиболее важным электродом линзы, определяющим качество и расходимость пучка ионов /18/.

Ионная оптика экстрактора достаточно хорошо изучена применительно к ускорительной технике и технике электромагнитного разделения изотопов. На конечную расходимость пучка оказывают воздействие различные факторы: кривизна границы плазмы, пространственный заряд, геометрия электродов, фокусирующее воздействие второго электрода системы, нестабильность плазмы разряда. Исследования этих процессов посвящено большое число работ. При расчетах ионной оптики экстрактора используют теоретическую зависимость Ленгмюра — Блоджетта, описывающую поток заряженных частиц между электродами различной формы /37/. Из решения уравнения Пуассона следует, что плотность тока j+, потенциал экстракции U_B и расстояние между границей плазмы и экстрактором d связаны соотношением «трех вторых»

(2.16)

Таким образом, была построена модель, связывающая конфигурацию пучка (заполнение пучком отверстия ускоряющего электрода d) с геометрическими размерами l₁ , l₂ и потенциалом вытягивающего электрода U_в ионно-оптической системы рисунок 2.5, которая в данном случае представляет собой осесимметричную линзу:

d=d_щ(0,73+ 0,22l₁ - 0,02l₂ - 0,06U_в+ 0,15l₁l₂ - 0,086l₁U_в+ 0,136l₂U_в - 0,11l₁l₂U_в).

Контрольное моделирование в центре плана (l₁=l₂=U_в=0) подтвердило точность модели. Минимизация ее по l₁ и l₂ методом Хукка-Дживса показала, что минимальный диаметр пучка d=6.009 мкм достигается при l₁=5.1 мм, l₂=4.9 мм.

Для случая щелевой оптики применимо выражение для тока протекающего между двумя концентрическими электродами цилиндрической формы

(2.17)

где L—длина цилиндров (щели);

q—заряд иона;

r_a – радиус анода;

 — пространственный параметр, являющийся функцией отношения между радиусами катода и анода.

На расходимость пучка основное влияние оказывает кривизна границы плазмы, менее критичен линзовый эффект экстрактора. Простейший способ управления расходимостью пучка с фиксированной интенсивностью тока — изменение межэлектродного зазора d:

(2.18)

где ₁ —расходимость пучка с учетом кривизны мениска и линзового эффекта электрода, рад;

d— межэлектродное расстояние, мм;

do—эффективное межэлектродное расстояние, необходимое для экстракции тока плотностью j+ при условии плоского мениска, вычисляемое из выражения d²₀ =5,4510^-5 U^3/2/(j₊ M^1/2), где U — ускоряющий потенциал, В; j+ вычисляется из уравнения:

J₊=j₊S. (2.19)

где S – площадь фактической границы плазмы, с которой происходит отбор ионов;

j₊ - плотность тока.

Для более детальной оценки используется несколько корректирующих коэффициентов, полученных экспериментальным путем зависящих от реальной геометрии пучка и системы экстракции и состава плазменного пучка /41/. Сложность и трудоемкость машинных расчетов геометрии экстракторов не позволяет использовать эту методику в инженерной практике, так же как и принятую в электронной оптике методику расчета пирсовской геометрии электродов из-за различия форм границы плазмы (расчетной и экспериментальной). В процессе расчетов применялся метод Монте-Карло разбиение расчета на составляющие: количественный расчет движения каждого составляющего иона в ионном пучке.

Введение третьего электрода, находящегося под отрицательным потенциалом по отношению к экстрактору, создает потенциальный барьер на пути движения электронов из одного пучка в разрядную камеру, тем самым, нейтрализуя пространственный заряд пучка ионов в области между вторым и третьим электродами, и изменяет угловую расходимость пучка, не меняя его энергии. Многие системы экстракции не содержат третьего электрода, при этом под небольшим отрицательным потенциалом находится второй электрод. В этом

Рисунок 2.5 Схема ионно-оптической системы

d , мм

случае роль третьего электрода отводится корпусу источника, находящемуся под нулевым потенциалом относительно высоковольтного терминала инжектора.

Как уже отмечалось, наибольшее влияние на угловую расходимость ионного пучка и извлекаемый ионный ток оказывает межэлектродное расстояние d. Это расстояние выбирается из условий, чтобы искрение было минимальным, и не возник пробой. Максимальное напряжение экстракции составляет U_B610⁴ d.

Однако это выражение относится к источникам, использующим конденсирующиеся пары, где пробой может возникать из-за осаждения рабочего вещества на поверхностях электродов. Поэтому в некоторых сильноточных конструкциях применяются подвижные системы экстракции /43/.

Важнейшим параметром пучка является нестабильность тока. При высокой нестабильности возможна декомпенсация пространственного заряда интенсивного пучка. Кроме того, низкочастотные колебания могут привести к неоднородности осаждения.

Однако если низкочастотные колебания вызваны в основном нестабильностями в электрических цепях питания ионного источника, то высокочастотные колебания (на уровне 20-500 кГц) вызваны “шумами” в плазме ионного источника. При этом изменяется постоянно и форма границы плазмы. Уровень «шума» может быть значительно ослаблен при увеличении давления в разрядной камере в области катода.

Для получения устойчивой и стабильной границы плазмы, из которой происходит отбор ионов, применяют различные системы регулирования. Все они основаны на использовании системы датчиков, фиксирующих значение каждого из параметров, поддающихся непосредственному регулированию и управлению их значениями. Тем самым обеспечиваются необходимые характеристики пучка /45/.

Наиболее сильное влияние на форму ионного пучка оказывают ток разряда и давление паров (газов) рабочего вещества в разрядной камере источника. Поэтому традиционно непосредственному воздействию оператора (или системы автоматического регулирования) подвергались четыре параметра: скорость подачи рабочего вещества в источник, напряжение экстракции, ток и напряжение разряда.

Регулирование напряжения экстракции необходимо, так как длительное изменение напряжения на выходе высоковольтного источника питания даже при высокой его стабильности (±0.5%) ведет к поперечному смещению пучка через несколько часов работы. Наличие такого смещения может регистрироваться парой датчиков Фарадея, расположенных в ловушке нейтралов, после завершения обработки каждой партии пластин. Разность между токами, регистрируемыми датчиками Фарадея, подается по цепи обратной связи в виде сигнала коррекции напряжения экстракции. Аналогично контролируется интенсивность тока пучка: площадь коллимирующего отверстия изменяется в зависимости от показания датчика Фарадея. В сильноточных системах этот параметр не всегда регулируется, а может отслеживаться изменением скорости перемещения мишени.

Плотность тока пучка и ее изменение во времени также может отслеживаться различными способами. В системах с электростатическим сканированием плотность тока пучка на мишени может стабилизироваться путем измерения мгновенной плотности тока каждым из четырех датчиков Фарадея, регистрирующих однородность осаждения, сравнения их показаний, вычисления среднего значения и сравнения последнего с предварительно рассчитанным значением плотности тока для данной дозы, времени нанесения пленки и размера обрабатываемой поверхности. Разность значений в виде сигнала коррекции поступает по цепи обратной связи

Исходя из вышесказанного, основным принципом, положенным в основу регулирования параметров пучка, экстрагируемого из источника ионов, и обеспечивающим основные критерии качества ведения процесса (стабильность, повторяемость, перестраиваемость) является стабилизация тока и напряжения разряда, давления в разрядной камере, напряжения экстракции, плотности тока пучка ионов на мишени, давления в тракте транспортировки пучка. Система экстракции служит для вытягивания ионов с поверхности плазменного мениска /46/. Схематическое изображение представлено на рисунке 2.6.

Нейтральные атомы всегда будут присутствовать в потоке, для предотвращения попадания газа в рабочую камеру облако плазмы и газа проходит первичную область фокусировки, где газ откачивается через внешние выходы из накопителя плазмы, далее плазма попадает в концентратор в верхней части которого под действием экстрактора вытягивается плазма, а снизу расположен отвод к гетеро-ионному насосу, который вытягивает остатки нейтральных атомов из газо-плазменного облака. Экстрактор находится под отрицательным напряжением от 0-3000 В, которое в данной установке будет представлять также одноступенчатое ускорение.

Результатом расчета системы экстракции является получение функциональной зависимости коэффициента ионного пропускания, который можно представить в виде:

f(S_вых, S_лов, S_пуч, U_экстр, l_лов, l_лов, l_лов)=k₁k₂ (2.20)

S_вых – площадь выпускного отверстия накопителя плазмы;

S_пуч – площадь поперечного сечения пучка;

U_экстр – напряжение подаваемое на экстрактор;

L_проб – длинна пробега ионов в концентраторе плазмы;

L_выт – расстояние между концентратором и экстрактором;

S_отк – площадь сечения стока откачки нейтральных атомов;

k₁ – коэффициент очистки;

k₂ – коэффициент вытягивания.

Несомненно, это далеко не все параметры, от которых зависит ионное осаждение. Численно коэффициент очистки k₁ равен отношению числа ионов прошедших через площадь выпускного отверстия накопителя плазмы к общему числу атомов. Коэффициент вытягивания k₂ равен отношению числа ионов прошедших экстрактор к числу ионов прошедших через выпускное отверстие накопителя плазмы. На рисунке 2.7 представлено принятое обозначение.

На этом рисунке область, проходимая пучком условно разделена на три части в этих обозначениях можно записать и где n₁, n₂ – число ионов в соответствующих областях; n₃ – общее число атомов. Очевидно, что n₁ = n₃ k₁ k₂

обозначим k= k₁ k₂ и представим качественные зависимости от вышеперечисленных параметров.

К₁=ω(S_нак/S_вых)¹⁴e^{-14(Sнак/Sвых)} (2.21)

1 – ионный луч; 2 – объем откачки нейтрального газа из ионного источника; 3 – ионно-атомный поток; 4 – экстрактор; 5 - накопитель плазмы; 6 – корпус ионного источника.

Рисунок 2.6 Схема системы экстракции ионов.

1- S_пуч – площадь поперечного сечения пучка; 2- S_экстр- площадь отверстия экстрактора; 3-Sвых- площадь поперечного сечения отверстия накопителя плазмы; 4- L_проб – длинна пробега ионов в концентраторе плазмы; 5- S_отк – площадь сечения стока откачки нейтральных атомов; 6- L_выт – расстояние между концентратором и экстрактором.

Рисунок 2.7 Выбор обозначений

где К₁–коэффициента выхода ионов через экстрактор;

n₃ – функция ионного взаимодействия .

На рисунке 2.8 представлена зависимость коэффициента выхода ионов через экстрактор от площадей экстрактора и выхода из накопителя плазмы. Данные для расчета взяты из /18/.

Отсюда видно максимум достигается при равенстве площадей отверстия экстрактора и выпускного отверстия накопителя плазмы. Также видно, что при отношении равном нулю и больше двух коэффициент очистки стремится к нулю. Это интуитивно понятно, при S_экстр/S_вых = 0, k = 0 так как за экстрактор или за ловушку ничего на пройдет. При S_экстр/S_вых , k = 0 из-за того, что за экстрактор пройдут все атомы и ионы, т. е. очистки не будет /43/. Также видно, что для различных веществ максимальный коэффициент очистки различен, это объясняется тем, что для различных веществ различны массы атомов, скорости, температуры, т. е. атомы обладают различной подвижностью.

Kυ₁=b(nl)(/w(nl)⁵+b(nl)²+u) (2.22)

Kυ₁-коэффициент вытягивания от расстояния между выпускным отверстием плазмы и экстрактором

b,w,n,u –параметры взаимодействия, зависят от рода вещества

l- расстояние

Данные для расчета взяты из /19/. Зависимость коэффициента ионного вытягивания от расстояния между выпускным отверстием накопителя плазмы и экстрактором имеет вид представленный на рисунке 2.9.

Анализируя этот рисунок можно заметить максимум смещается в сторону больших расстояний с увеличением энергии иона и для всех ионов оптимальным является расстояние между выпускным отверстием накопителя плазмы и экстрактором порядка одного сантиметра. Также можно увидеть для разных веществ скорость убывания коэффициента с ростом расстояния разная, то есть для ионов с большим соотношением энергии, массы и скорости коэффициент убывает более плавно. Наиболее резко он убывает у алюминия, это можно объяснить следующим образом: этот материал обладает достаточно большой скоростью и с увеличением расстояния ионы этого вещества просто разлетаются и малая доля может быть вытянута экстрактором.

(2.23)

где Kr- коэффициент зависимости вытягивания ионов с поверхности плазмы от напряжения на экстракторе, a,v,с – параметры ионного взаимодействия, зависят от рода вещества.

На рисунке 2.10 представим зависимость коэффициента вытягивания ионов с поверхности плазмы от напряжения на экстракторе. Из рисунка видна тенденция смещения максимума коэффициента вытягивания для более тяжелых элементов в сторону более высоких напряжений. Также заметно, что при U_экстр = 0 для некоторых элементов коэффициент не равен нулю, это можно со следующей позиции – некоторая часть ионов по чистой случайности может пройти через экстрактор даже при отсутствии вытягивающего напряжения /60/. С ростом напряжения на экстракторе наблюдается максимум, который для более тяжелых элементов уменьшается. Данную закономерность можно объяснить с точки зрения того, что

более тяжелый элемент обладает более высокой инерцией и его сложнее вытянуть (т. е. необходимо большее напряжение изменить, что бы изменить его траекторию). Далее с ростом напряжения коэффициент падает до нуля, это происходит из-за того, что ионы при очень большом напряжении просто начинают прилипать к экстрактору и не могут от него оторваться.

На рисунке 2.11 приведено схематическое изображение математической модели источника ионов.