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, мишени из оксидного материала, подложка из оксидного материала, одинакового с материалом мишени, закрепленная на держателе, имеющем возможность перемещения, нагреватель, причем мишень и подложка обращены одна к другой для осаждения оксидных материалов мишени на поверхность подложки, отличающаяся тем, что подложка установлена у торцов узких частей аксиальных токопроводящих внутреннего и наружного раструбов сепаратора ионов, расположенного последовательно с компенсатором объемного заряда, сужающихся по дугам круговых орбит ионов, размещенных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения вблизи компенсатора объемного заряда к противоположному концу каждого раструба и имеющих продольные прорези в плоскости симметрии раструбов, а мишень установлена у торца внутреннего раструба.

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 установки выравнивания поверхности оксидных материалов 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 и лучевой терапевтической и хирургической медицине.

Известно устройство для разделения ионов по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник ионов, сепаратор ионов и приспособление для сбора ионов. Сепаратор ионов выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит ионов раструбов, установленных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов. Раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а кольцевой источник ионов размещен вокруг широкой части сепаратора ионов вдоль щелевых прорезей [патент РФ на изобретение 2135270, МПК⁶ В 01 D 59/48, Н 01 J 49/26] .

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, мишень из оксидного материала, подложки из оксидного материала, одинакового с материалом мишени, закрепленные на держателе, имеющем возможность перемещения, нагреватель. Мишень и одна из подложек обращены одна к другой для осаждения оксидных материалов мишени на поверхность подложки при определенном положении держателя. Подложки устанавливаются у торцов компенсаторов объемного заряда. Мишень установлена у торца одного из 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].

Недостатками прототипа являются, во-первых, отсутствие возможности ионно-лучевого выравнивания локальных участков поверхности оксидных материалов, например, невозможность выравнивания и нанесения ленточного и точечного покрытия на подложке, во-вторых, отсутствие возможности деления луча ионов на лучи, необходимого для ионно-лучевого выравнивания оксидных материалов при наличии только одного источника ионов, и, в-третьих, ограниченные возможности управления лучами ионов.

Предлагаемым изобретением решается задача, во-первых, обеспечения возможности ионно-лучевого выравнивания локальных участков поверхности оксидных материалов, например, возможности выравнивания и нанесения ленточного и точечного покрытия на подложке, во-вторых, обеспечения возможности деления луча ионов на лучи, необходимой для ионно-лучевого выравнивания оксидных материалов при наличии только одного источника ионов, и, в-третьих, расширение возможности 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, мишень из оксидного материала, подложка из оксидного материала, одинакового с материалом мишени, закрепленная на держателе, имеющем возможность перемещения, нагреватель, причем мишень и подложка обращены одна к другой для осаждения оксидного материала мишени на поверхность подложки, подложка установлена у торцов узких частей аксиальных токопроводящих внутреннего и наружного раструбов сепаратора ионов, расположенного последовательно с компенсатором объемного заряда, сужающихся по дугам круговых орбит ионов, размещенных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения вблизи компенсатора объемного заряда к противоположному концу каждого раструба и имеющих продольные прорези в плоскости симметрии раструбов, а мишень установлена у торца внутреннего раструба.

Возможность ионно-лучевого выравнивания локальных участков поверхности оксидных материалов, например, возможность выравнивания и нанесения ленточного и точечного покрытия на подложке, обеспечивается наличием узких сфокусированных с помощью сепаратора ионов ионных лучей, направленных к мишени и подложке.

Возможность деления луча ионов на лучи, необходимая для ионно-лучевого выравнивания оксидных материалов при наличии только одного источника ионов, обеспечивается размещением подложки у торцов узких частей внутреннего и наружного раструбов, а мишени - у торца внутреннего раструба сепаратора ионов, создающего магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами, разделяющими луч ионов на лучи ионов.

Расширение возможностей управления лучами ионов обеспечивается взаимодействием подложки и мишени с сепаратором ионов, образующим магнитные барьеры для увеличения возможностей расщепления луча ионов. Таким образом, предлагаемая установка позволяет из числа моноэнергетических ионов закручивать по круговой орбите луч легких ионов, закручивать лучи легких и тяжелых ионов по круговым орбитам и закручивать лучи легких и тяжелых ионов по круговой орбите. Установка позволяет переводить луч тяжелых ионов с большей орбиты на совместную с лучом легких ионов орбиту, отпускать луч тяжелых ионов с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких ионов, на прямолинейную траекторию; отпускать 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.

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

Ионно-лучевая установка выравнивания поверхности оксидных материалов содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены: источник 2 ионов, компенсатор 3 объемного заряда, мишень 4 из оксидного материала, подложка 5 из оксидного материала, одинакового с материалом мишени 4, закрепленная на держателе 6, имеющем возможность перемещения. Мишень 4 и подложка 5 находятся в тепловом поле нагревателя 7 и обращены одна к другой для осаждения оксидного материала мишени 4 на поверхность подложки 5. Подложка 5 установлена у торца узкой части сепаратора 8 ионов. Подложка 5 установлена у торцов узких частей аксиальных токопроводящих внутреннего и наружного раструбов 9, 10 сепаратора 8 ионов, расположенного последовательно с компенсатором 3 объемного заряда, сужающихся по дугам круговых орбит ионов, размещенных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба 9, 10 при уменьшении поперечных сечений раструбов 10, 9 от области совмещения вблизи компенсатора 3 объемного заряда к противоположному концу каждого раструба 9, 10 и имеющих продольные прорези 11, 12 в плоскости симметрии раструбов 9, 10. Мишень 4 установлена у торца внутреннего раструба 9. Источник 2 ионов имеет ионизационную камеру 13 и снабжен сетками 14, 15 извлечения ионов с отверстиями для прохождения луча ионов. На выходе источника 2 ионов расположен компенсатор 3 объемного заряда, выполненный в виде полого цилиндра с внутренним диаметром, несколько большим отверстия в сетке 15 извлечения ионов, вблизи места общего совмещения в широкой части раструбов 9, 10 сепаратора 8 ионов. Сепаратор 8 ионов, изготовленный в виде расходящихся внутреннего и наружного раструбов 9, 10, соответственно меньшего и большего диаметров, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи, формирует статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения моноэнергетических ионов по массам, а в общем случае - по энергиям. Сепаратор 8 является источником магнитного поля. Раструб 10 с большим диаметром изготовлен из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, раструб 9 меньшего диаметра изготовлен из токопроводящего или сверхпроводящего материала. Токопроводящие или сверхпроводящие раструбы 9, 10 имеют одинаковые поперечные сечения в начале общей широкой части и различные поперечные сечения в узких частях, расположены друг в друге с общим совмещением, т.е. широкая часть раструба 9 совмещена с широкой частью раструба 10. Раструб 10 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты легких ионов. Раструб 9 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты тяжелых ионов. Вдоль образующих боковых поверхностей каждого из раструбов 9, 10 для использования магнитного поля имеются продольные щелевые прорези 11, 12. Последовательное расположение сужающихся при уменьшении поперечных сечений раструбов 10 и 9 обеспечивает разделение луча моноэнергетических ионов по массам.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль каждого из раструбов 9, 10 необходимо подать электрический ток в одном направлении. При этом отрицательный потенциал, общий для раструбов 9, 10, подается к области совмещения широких частей раструбов 9, 10, где вводятся разделяемые положительно заряженные ионы. Положительные потенциалы подаются к противоположным концам раструбов 9, 10, где выводятся из сепаратора 8 ионов разделенные положительно заряженные ионы. При разделении отрицательно заряженных ионов направление электрических токов, протекающих вдоль раструбов 9, 10, необходимо сменить на противоположное направление. Распределение индукции по радиусу сепаратора 8 ионов в зоне разделения ионов таково, что получается поле с расходящимися магнитными барьерами. Держатель 6 подложки 5 электрически отделен от вакуумной камеры 1 изоляторами 16.

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 объемной плотности заряда ионов осуществляется для повышения плотности ионного луча и увеличения тока ионов. Из компенсатора 3 объемного заряда смесь ионов подается в сепаратор 8 ионов, в плоскости симметрии сепаратора 8, в пространство, находящееся между компенсатором 3 объемного заряда и общей для раструбов 9, 10 широкой их частью, к началам продольных щелевых прорезей 11, 12 в раструбах 9, 10. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте общего совмещения раструбов 9, 10 создан электрическими токами, протекающими по раструбам 9, 10, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые ионы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения ионы попадают в область расхождения раструбов 9, 10, т.е. в область расхождения электрических токов, в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь, электрическим током по наружному раструбу 10, сформирован магнитный барьер такой высоты, и магнитная индукция поддерживается на таком уровне, когда из смеси моноэнергетических ионов луч легких ионов остается на орбите, имеющей малый радиус, а луч тяжелых ионов сходит с орбиты. 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 раструбу 9, и, в меньшей степени, электрическим током по раструбу 10. Понижение магнитного барьера вдоль внутреннего раструба 9 приводит к переходу луча тяжелых 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 вдоль наружного раструба 10. Увеличение магнитной индукции, созданной током, протекающим вдоль наружного раструба 10, выводит ионы с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус.

В общем случае вышедшие из источника 2 ионы распределены в практически непрерывный энергетический спектр. Тогда прошедшие в луче вдоль внутреннего раструба 9 высокоэнергетические ионы подают на мишень 4, изготовленную из оксидного материала, распыляемого на подложку 5. Распыление оксидного материала мишени 4 и напыление оксидного слоя на оксидную подложку 5 осуществляется при нагреве подложки 5 и мишени 4 нагревателем 7. Область напыления оксидного материала на подложку 5 с мишени 4 может быть точечной, ленточной и двумерной. Двумерная область напыления оксидного материала получается путем соответствующего перемещения подложки 5 с помощью держателя 6. Каждая локальная область подложки 5 после нанесения оксидного материала с мишени 4 высокоэнергетическим лучом ионов при перемещении подложки 5 сразу же попадает под луч низкоэнергетических ионов, прошедших вдоль наружного раструба 10. Луч низкоэнергетических ионов распыляет поверхность подложки 5, еще более выравнивая эту поверхность.

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

Предлагаемое изобретение расширяет возможности ионно-лучевого выравнивания поверхности оксидных материалов, так как позволяет расщепить луч ионов на лучи путем размещения раструбов друг в друге в порядке уменьшения поперечных сечений раструбов в направлении от места совмещения раструбов в широкой их части и подачи лучей на мишень и подложку. Изобретение увеличивает возможности управления лучами ионов, что позволяет установке работать в нескольких режимах выравнивания поверхности оксидных материалов. С помощью предлагаемых ионно-лучевых установок выравнивания поверхности оксидных материалов и сфокусированных установками ионных лучей установками особенно удобно, например, выравнивать поверхности выращенных миниатюрных кристаллов для лазеров.