ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов

Формула изобретения

Ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов, содержащая вакуумную камеру, в которой размещены источник ионов, компенсатор объемного заряда, подложка из оксидного материала, закрепленная на держателе, имеющем возможность перемещения, мишень из оксидного материала, одинакового с материалом подложки, нагреватель, причем подложка и мишень установлены противоположно источнику ионов и обращены одна к другой для осаждения оксидного материала мишени на поверхность подложки, отличающаяся тем, что подложка установлена у торцов наружной и внутренней изогнутых по дугам круговых орбит ионов токопроводящих труб сепаратора ионов, расположенных одна в другой в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от места общего внутреннего касания вблизи компенсатора объемного заряда и имеющих продольные щелевые прорези со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб, а мишень установлена у торца внутренней трубы сепаратора ионов.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к ядерной технике и предназначено для обработки поверхностей ионами, а также может быть использовано для выравнивания поверхности оксидных материалов.

Ранее известные ионно-лучевые установки разработаны в процессе поиска надежных методов лучевого упрочнения поверхности деталей, плазменного нанесения защитных покрытий, модификации оптических, механических, каталитических и других характеристик материалов, имплантации заряженных частиц и нейтралов при синтезе высокотемпературных сверхпроводников, при работе с пациентами в лучевой терапевтической и хирургической медицине.

Известно устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник ионов, приемники ионов, сепаратор ионов, выполненный виде изогнутых по дугам круговых орбит ионов и расположенных одна в другой в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от места общего внутреннего касания вблизи источника ионов наружной и внутренней токопроводящих труб с продольными щелевыми прорезями со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб. Приемники разделенных по массам ионов установлены у торцов наружной и внутренней токопроводящих труб на выходе из сепаратора ионов и в середине внутренней токопроводящей трубы [патент РФ 2133141, МПК⁶ В 01 D 59/48, Н 01 J 49/30].

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для ионно-лучевого выравнивания поверхности оксидных материалов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов, содержащая вакуумную камеру, в которой размещены источники ионов, компенсаторы объемного заряда, подложки из оксидного материала, закрепленные на держателе, имеющем возможность перемещения, мишень из оксидного материала, одинакового с материалом подложек, нагреватель. Одна из подложек и мишень, установленные противоположно источнику ионов, обращены одна к другой при соответствующем расположении держателя для осаждения оксидного материала мишени на поверхность подложки. Подложки и мишень установлены у торцов компенсаторов объемного заряда [А.И. Стогний, Н. Н. Новицкий. Ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов / Приборы и техника эксперимента, 2002, 1, с. 153-157].

Недостатком описанной установки является отсутствие возможности ионно-лучевого выравнивания локальных участков поверхности оксидных материалов, например невозможность выравнивания и нанесения ленточного и точечного покрытия на подложке.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения возможности ионно-лучевого выравнивания локальных участков поверхности оксидных материалов, например обеспечение возможности выравнивания и нанесения ленточного и точечного покрытия на подложке путем деления луча ионов на лучи и управления лучами ионов.

Для достижения этого технического результата в ионно-лучевой установке выравнивания поверхности оксидных материалов, содержащей вакуумную камеру, в которой размещены источник ионов, компенсатор объемного заряда, подложка из оксидного материала, закрепленная на держателе, имеющем возможность перемещения, мишень из оксидного материала, одинакового с материалом подложки, нагреватель, причем подложка и мишень установлены противоположно источнику ионов и обращены одна к другой для осаждения оксидного материала мишени на поверхность подложки, подложка установлена у торцов наружной и внутренней изогнутых по дугам круговых орбит ионов токопроводящих труб сепаратора ионов, расположенных одна в другой в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от места общего внутреннего касания вблизи компенсатора объемного заряда и имеющих продольные щелевые прорези со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб, а мишень установлена у торца внутренней трубы сепаратора ионов.

Ионно-лучевое выравнивание локальных участков поверхности оксидных материалов, например возможность выравнивания и нанесения ленточного и точечного покрытия на подложку, обеспечивается наличием узких сфокусированных с помощью сепаратора ионов ионных лучей. Предварительное выравнивание полосы поверхности на подложке осуществляется нанесением ленточного покрытия на подложку путем напыления оксидного материала мишени с помощью одного луча, а последующее выравнивание полосы поверхности на подложке осуществляется путем распыления вторым лучом ранее нанесенного ленточного покрытия первым лучом. Предварительное выравнивание точечного участка поверхности на подложке осуществляется нанесением точечного покрытия на подложку путем напыления оксидного материала мишени с помощью одного луча, а последующее выравнивание точечного участка поверхности на подложке осуществляется путем распыления вторым лучом ранее нанесенного первым лучом точечного покрытия.

Выравнивание и нанесение ленточного и точечного покрытия на подложку через деление луча ионов на лучи и обеспечение возможности управления полученными лучами ионов достигается установкой подложки у торцов наружной и внутренней трубы, а мишени - у торца внутренней трубы сепаратора ионов. Сепаратор ионов создает магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения луча ионов на отдельные лучи ионов. Лучи ионов необходимы для осуществления выравнивания поверхности оксидных материалов. Управление лучами ионов обусловлено использованием магнитных барьеров, расширяющих возможности расщепления лучей ионов сепаратором ионов. Сепаратор ионов позволяет закручивать по круговой орбите луч легких ионов, закручивать лучи легких и тяжелых ионов по круговым орбитам, закручивать лучи легких и тяжелых ионов по круговой орбите, переводить луч тяжелых ионов с большей орбиты на орбиту, совместную с лучом легких ионов; опускать луч тяжелых ионов с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких ионов, на прямолинейную траекторию, оставляя луч легких ионов на круговой орбите; опускать луч тяжелых ионов с круговой орбиты, общей с орбитой легких ионов, на прямолинейную траекторию, оставляя луч легких ионов на прежней единой круговой орбите; опускать луч тяжелых ионов с круговой орбиты, общей с орбитой легких ионов, на другую круговую орбиту, оставляя луч легких ионов на прежней единой круговой орбите; опускать оба луча ионов с единой круговой орбиты на прямолинейные траектории; опускать оба луча ионов с различных круговых орбит на прямолинейные траектории. Перечисленные возможности расщепления лучей ионов позволяют оптимально распределять моноэнергетические ионы по массе, а в общем случае - по энергии ионов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид ионно-лучевой установки выравнивания поверхности оксидных материалов, на фиг. 2 - вид снизу сепаратора ионов, на фиг.3 - вертикальный разрез сепаратора ионов.

Ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены: источник 2 ионов, компенсатор 3 объемного заряда, сепаратор 4 ионов, подложка 5 из оксидного материала, закрепленная на держателе 6, имеющем возможность перемещения, мишень 7 из оксидного материала, одинакового с материалом подложки 5, и нагреватель 8. Подложка 5 и мишень 7 установлены противоположно источнику 2 ионов и обращены одна к другой для осаждения оксидного материала мишени 7 на поверхность подложки 5. Подложка 5 установлена у торцов наружной 9 и внутренней 10 изогнутых по дугам круговых орбит ионов токопроводящих труб сепаратора 4 ионов. Токопроводящие трубы 9, 10 расположены одна в другой в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от места общего внутреннего касания вблизи компенсатора 3 объемного заряда и снабжены продольными щелевыми прорезями 11, 12 со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы 9, 10 в плоскости симметрии труб 9, 10. Мишень 7 установлена у торца внутренней трубы 10. Источник 2 ионов содержит ионизационную камеру 13 и снабжен сетками 14, 15 извлечения ионов. Каждая из сеток 14, 15, кроме мелких отверстий, имеет центральные отверстия для прохождения луча ионов. Компенсатор 3 объемного заряда расположен на выходе сетки 15 извлечения ионов источника 2 ионов. Компенсатор 3 объемного заряда выполнен в виде полого цилиндра с внутренним диаметром, несколько большим центрального отверстия в сетке 15 извлечения ионов, и расположен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых по дугам круговых орбит ионов труб 9, 10 сепаратора 4 ионов. Подложка 5 и мишень 7 находятся в условиях повышенной температуры 700 К, полученной с помощью нагревателя 8, расположенного над подложкой 5 и мишенью 7. Держатель 6 подложки 5 электрически отделен от вакуумной камеры 1 изоляторами 16.

Сепаратор 4 ионов изготовлен в виде системы расходящихся труб 9, 10, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи, формирующие статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения ионов. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства около указанных труб 9, 10. Наружная труба 9 изготовлена из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, внутренняя труба 10 изготовлена из токопроводящего или сверхпроводящего материала. Токопроводящие или сверхпроводящие трубы 9, 10 расположены друг в друге с общим внутренним касанием, т.е. один конец трубы 9 совмещен в одной точке с одним концом второй трубы 10. Каждая из труб 9, 10 расположена симметрично относительно плоскости, проходящей через оси труб 9, 10. Каждая из труб 9, 10 загнута по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты ионов. В каждой из труб 9, 10 со стороны наименьшего радиуса изгиба прорезана продольная щель 11, 12, при этом оси щелей 11, 12 лежат в плоскости симметрии труб 9 и 10. Данное последовательное расположение труб 9, 10 обеспечивает разделение лучей ионов в зависимости от их массы. Разделение лучей ионов в сепараторе 4 осуществляется в магнитном поле. Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль каждой из труб 9, 10 необходимо подать электрический ток в одном направлении по трубам 9, 10. Отрицательный потенциал при этом, общий для труб 9, 10, подается на концы труб 9, 10 в том конце сепаратора 4, в котором вводятся разделяемые положительно заряженные ионы. Положительные потенциалы подаются на концы труб 9, 10 в другом конце сепаратора 4, из которого выводятся разделенные положительно заряженные ионы. Значения разностей электрических потенциалов на концах труб 9, 10 регулируются. Распределение индукции по радиусу сепаратора 4 ионов в зоне разделения ионов таково, что получается поле с расходящимися магнитными барьерами магнитного поля.

Предлагаемая ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов работает следующим образом.

В ионизационной камере 13 источника 2 ионов происходит ионизация нейтральных молекул. Из ионизационной камеры 13 ионы вытягиваются электрическим полем с помощью сеток 14, 15 извлечения ионов источника 2 ионов и затем ионы поступают в компенсатор 3 объемного заряда ионного луча. Компенсация объемного заряда ионного луча осуществляется для повышения плотности ионного луча и увеличения тока ионов. Из компенсатора 3 смесь ионов подается в сепаратор 4 ионов в плоскости симметрии сепаратора 4 в пространство, находящееся между компенсатором 3 объемного заряда и местом касания труб 9, 10 сепаратора 4 ионов. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения труб 9, 10 создан электрическими токами по трубам 9, 10 и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые ионы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения ионы попадают в область расхождения труб 9, 10 и расхождения электрических токов, в магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь электрическим током по наружной трубе 9 и током по внутренней трубе 10 сформирован магнитный барьер такой высоты и магнитная индукция поддерживается на таком уровне, когда луч легких ионов остается на орбите, имеющей малый радиус, а луч тяжелых ионов сходит с орбиты, имеющей малый радиус. Луч тяжелых ионов в этом случае идет по орбите, имеющей больший радиус, или идет по прямолинейной траектории. Удержание луча тяжелых ионов на орбите, имеющей больший радиус, производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции, созданной электрическим током, протекающим по внутренней трубе 10, и электрическим током, протекающим по трубе 9. Понижение магнитного барьера вдоль трубы 10 приводит к переходу луча ионов с орбиты, имеющей больший радиус, на прямолинейную траекторию. Если требуется ионы перевести с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий по трубе 9. Увеличение магнитной индукции, созданной током, протекающим по трубе 9, выводит ионы с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус. Прошедшие в луче вдоль трубы 10 высокоэнергетические ионы подают на мишень 7, изготовленную из оксидного материала, распыляемого на подложку 5. Распыление оксидного материала мишени 7 и напыление оксидного слоя на оксидную подложку 5 осуществляются при нагреве подложки 5 и мишени 7 нагревателем 8. Область напыления оксидного материала на подложке 5 с мишени 7 может быть точечной, ленточной и двумерной. Двумерная область напыления оксидным материалом может быть получена путем соответствующего перемещения подложки 5 с помощью держателя 6. Каждая локальная область подложки 5 после нанесения оксидного материала с мишени 7 лучом ионов, прошедших вдоль трубы 10 меньшего диаметра, при перемещении подложки 5 далее сразу же попадает под луч ионов, прошедших вдоль трубы 9 большого диаметра. Луч ионов, прошедших вдоль наружной трубы 9, распыляет поверхность подложки 5, еще более выравнивая эту поверхность.

Производительность ионно-лучевой установки выравнивания поверхности оксидных материалов определяется электрическим током извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего электрического поля в источнике ионов и ионно-лучевой установке. Величина электрического тока извлекаемых из источника ионов накладывает требования на размеры установки.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области расширяет возможности ионно-лучевого выравнивания поверхности оксидных материалов, так как увеличено число используемых сфокусированных лучей ионов при заявляемом размещении подложки и мишени относительно токопроводящих труб сепаратора ионов и увеличены возможности управления лучами ионов. С помощью предлагаемых ионно-лучевых установок выравнивания поверхности оксидных материалов и сфокусированных ионных лучей установками особенно удобно, например, формировать точечные р-n- и n-р-переходы при поточном производстве полупроводниковых элементов электронных схем и выравнивать поверхности выращенных миниатюрных кристаллов для лазеров.