Требования к ионным источникам для ионного легирования. Источники с горячим катодом
В настоящее время для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и иных свойств поверхностных слоев материала основным является такой технологический процесс как ионное легирование (ионная имплантация).
Ионная имплантация представляет собой процесс внедрения в пластину полупроводника ускоренных в электромагнитном поле ионов. Осуществляется ионное легирование в два этапа: первый – внедрение ионов, второй – отжиг.
Данный процесс оказался особенно перспективным для твердотельной электроники.
Идею ионного легирования полупроводниковых материалов в 1954 году предложил американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике Уильям Брэдфорд Шокли. Если сравнивать данный метод с диффузией, сплавлением, легированием из расплава, то среди преимуществ можно выделить следующие:
универсальность,
низкие температуры для производства процесса,
возможность строго дозировать примеси,
высокую частоту примесей,
простоту управления процессом.
Ионные источники в любом технологическом ускорителе являются одним из основных узлов. Ионный источник состоит из собственно источника ионов и устройства их экстракции. Атомы ускоряемых элементов вводят в устройство либо напуском – в виде газа, либо испарением – жидкой или твердой примеси. Далее данные атомы ионизируются и вытягиваются в ионном источнике соответствующим потенциалом в ускоритель, где приобретают нужную энергию.
Ионные источники должны отвечать следующим требованиям:
стабильность пучка во времени;
получение ионов с определенным зарядом, нужной плотности тока при низких экстрагирующих напряжениях;
простота перестройки с одного ускоряемого элемента на другой;
простота источника в управлении и легкость замены самого устройства.
Вследствие того, что один источник не может удовлетворять всем требованиям одновременно, используется набор источников с разными ионами. Существуют ионные источники с горячим, холодным и полым катодами; дуоплазмотроны; источники с ВЧ- и СВЧ-возбуждением; с поверхностной ионизацией.
Для образования положительно заряженных ионов ионный источник обеспечивает возбуждение атомов рабочего газа до энергии, которая превышает потенциал ионизации атома. Большинство рассматриваемых устройств включает в свою конструкцию следующие конструктивные элементы:
разрядную или ионизационную камеру, которая является несущей конструкцией источника;
анод, предназначенный для создания электрического поля внутри разрядной камеры;
источник электронов (термокатод), инжектирующий электроны для ионизации газа;
магнитную систему, которая повышает эффективность ионизации и плотность плазмы;
электроды, экстрагирующие ионы;
электроды первичной фокусировки пучка.
Работу самого ионного источника обеспечивают вспомогательные устройства: система подачи газа, устройство испарения вещества и источники питания.
Наиболее типичными источниками ионов являются источник с накаленным катодом; высокочастотный; источник с разрядом Пеннинга, дуоплазматрон и источник с электронной бомбардировкой. В зависимости от типа ионного источника наблюдается различный разброс ионов по энергиям. Это обстоятельство может играть важную роль при масс-сепарации ионов. В исследовательских установках разброс по энергиям не должен превышать 10 эВ, а в промышленных он может быть существенно больше.
Источник с накаленным катодом является самым распространенным: он универсален по отношению к сорту ионов, а также дает возможность получать интенсивные ионные пучки. Принцип работы такого источника сравнительно прост. Разряд горит между вольфрамовым катодом прямого накала (или косвенным катодом) и анодом. Электроны эмитируются перпендикулярно поверхности катода с плотностью порядка 1 А/см2. С помощью магнитного поля длительность пребывания электронов в разряде увеличивается и тем самым усиливается ионизация. Благодаря высокому давлению (обычно 10–2 – 1 Па) между катодом и анодом горит устойчивая дуга. Разброс ионов по энергиям колеблется от 1 до 50 эВ, но обычно составляет менее 10 эВ, рабочее давление – от 10–4 до 1 Па. Большинство источников этого типа снабжено нагревателями, обеспечивающими испарение твердых веществ и получение необходимой упругости пара. Накаленный катод и анод расположены коаксиально, т.е. физически расположены вдоль одной оси.
Проблемой для всех ионных источников является осаждение проводящих пленок на изоляторах, а также коррозия и распыление катода. А важное достоинство источников этого типа – малый разброс ионов по энергиям, составляющий несколько электрон-вольт.
Рис. 3 – Конструкции ионных источников различного типа: с горячим катодом прямого (а) и косвенного (б) канала; с холодным катодом (в); дуоплазматрон (г). 1 – газ, 2 – катод, 3 – анод, 4 – экстрактор, 5 – косвенный катод, 6 – верхний катод, 7 – нижний катод, 8 – промежуточный электрод, 9 – электромагнит, 10 – плазма.
Ниже также приведены схемы типовых источников ионов Пеннинга с холодным и горячим катодами. Достоинство источников данного типа – их экономичность и наличие малого разброса ионов по энергиям. Чтобы повысить эффективность работы данных источников, в области разряда формируют однородное магнитное поле.
Рис. 4 – схемы типовых источников ионов. Источники Пеннинга с холодным (левый) и горячим (правый) катодами