способ многоэлементной ионной имплантации (варианты)

Формула изобретения

1. Способ многоэлементной ионной имплантации, заключающийся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, отличающийся тем, что при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, экстрагируют из нее многоэлементный пучок с помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, и направляют его в магнитный сепаратор с относительным разрешением не более 10%, который формирует многоэлементный пучок, содержащий ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися относительно друг друга значениями величины отношения массы ионов к их заряду не более чем на 10% и сканируют сформированным многоэлементным пучком по поверхности облучаемого объекта.

2. Способ многоэлементной ионной имплантации, заключающийся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, отличающийся тем, что при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, затем экстрагируют из нее многоэлементный пучок этих ионов с помощью периодически и последовательно изменяющегося по амплитуде ускоряющего напряжения, изменение амплитуды которого обратно пропорционально изменению отношения массы ионов к их заряду для заданных фазообразующих атомов, после чего пучок направляют в магнитный сепаратор, с помощью которого выделяют ионы с равными по величине отношениями импульса к заряду и транспортируют их до облучаемого объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области легирования твердых тел путем их получения пучком ионов из фазообразующих атомов и может быть использовано для структурно-фазовой модификации твердых тел, например для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных свойств.

Известно широкое применение ионных пучков для легирования твердых тел различными химически активными атомами с целью формирования в облучаемых материалах заданных по размеру и плотности выделений вторичных фаз, определяющих их физические, химические и механические характеристики [1].

Отличительная особенность ионного легирования - это возможность легирования объекта любыми (без ограничений) атомами, в том числе не имеющими растворимость в материале данного объекта. Именно это обстоятельство и способствовало широкому применению принципов ионной модификации структуры с целью управления химическими, физическими и механическими свойствами различных материалов. Так, например, с целью упрочнения материалов используют йонно-индуцированное формирование как скоплений радиационных дефектов, так и мелкодисперсных выделений вторичных фаз. В последнем случае удается получать наибольший эффект как по величине упрочнения, так и по его термической устойчивости, что и определяет его успешное применение при решении многих практических задач. Обычно для этих целей используют облучение заданного объекта ионами такого химического элемента, которые имеют способность образовывать с атомами облучаемого объекта химические соединения.

Наибольший же эффект в изменении физико-механических свойств твердых тел наблюдается, когда они облучается двумя-тремя ионами различных химических элементов, которые при определенных температурах получения или после радиационного обжига, взаимодействуя друг с другом, образуют новые сложные по химическому составу (многокомпонентные) фазы выделений в матрице облучаемого объекта [2]. При этом для реализации формирования многокомпонентной фазы используют последовательное облучение объекта соответствующими ионами. Например, для формирования фазы типа BN (нитрид бора) объект последовательно облучают ионами бора и азота [3, 4]. Естественно, для формирования, например, карбонитрида бора необходимо последовательное облучение ионами углерода, азота и бора. Установлено, что для обеспечения условий формирования фаз (в том числе и многокомпонентных) из легирующих атомов необходимо, чтобы их концентрация превышала предел растворимости в решетке облучаемого материала. В этой связи флюенс данных частиц должен составлять по меньшей мере 10¹⁷ см^-2 , что обычно и реализуется на практике. В этой связи требуется соответствующее время для облучения каждой из компонентов необходимых ионов. Т.е., например, для синтезирования трехкомпонентной фазы требуется трехкратное облучение объекта ионами каждой из компонент при строго определенных энергиях для ионов каждой компоненты.

При этом важнейшим условием является точный подбор энергий для каждого из бомбардирующих ионов с целью формирования пространственно подобных профилей ионного легирования в облучаемом объеме образца. Это обстоятельство требует наличия возможности контролируемо изменять энергию ускоряемых ионов в имплантере. В противном случае, как это реализовано в работе [5], когда используются ионы с нескоррелированными энергиями, пространственные профили легирования, например при двухэлементном облучении, сильно отличаются. В этом случае возникают физико-технические проблемы как с подбором доз облучения, так и с неопределенностью роли области в конце пробега, легированной только одним видом ионов, на характеристики конечного продукта.

В работе [6] описан способ ионной имплантации, в котором формируют плазму многозарядных ионов в одном источнике, после чего экстрагируют из него пучок ионов, из которых затем выделяют необходимые ионы со строго одинаковым отношением масс к их заряду с помощью высокоразрешающего магнитного сепаратора с последующим направлением их на облучаемый объект. Однако в большинстве научных и практических случаев синтезирования в облучаемом объекте многоэлементных фаз требуется одновременная многоэлементная имплантация в него различных изотопов или ионов с различающимися величинами отношения массы к их зарядам. Это обстоятельство часто встречается в практике формирования многоэлементного пучка из многозарядных ионов, когда невозможно выбрать из них ионы со строго одинаковой величиной отношения их масс к их зарядам. Использование вышеописанного способа в работе [6] не позволяет реализовать возможность формировать многоэлементный пучок из ионов с различающимися (по крайней мере на 10%) величинами отношений их массы к их зарядам. Например, при синтезировании предельно твердой фазы карбонитрида бора (BNC) нельзя реализовать условия получения из многозарядной смеси ионов ¹¹В^N+ , ¹²С^N+ и ¹⁴N^N+ (где N+ - величина заряда от 2 до 7) ионы с одинаковыми величинами отношения их массы к их зарядам. Более того, эти трудности возникают и при многоэлементной имплантации ионов, полученных из изотопных элементов, например, ¹¹Вⁿ⁺, ¹⁶ О^3,5,6+, ¹⁹Fⁿ⁺, ⁵⁷ Feⁿ⁺ и т.п., когда невозможно получить целые или одинаковые величины отношений их масс к их зарядам.

Основные недостатки используемых способов ионного легирования:

- необходимость большого времени при последовательном облучении объекта соответствующими ионами для достижения заданных их концентраций при номинальных (не приводящих к чрезмерному радиационному разогреву облучаемого объекта) потоках ионов,

- невозможность из экстрагированной многоэлементной плазмы выделить и направить на облучаемый объект ионы с различающимся (по крайней мере до 10%) величинами отношения их массы к их зарядам.

Изобретение решает задачу повышения эффективности формирования многоэлементного пучка и создания условий для одновременного облучения объекта многоэлементным пучком из фазообразующих атомов с отличающимися (по крайней мере не более чем на 10%) величинами отношения их массы к их зарядам при выполнении необходимого условия формирования подобных энергетических профилей ионного легирования по глубине облучаемого образца.

Технический результат изобретения достигается способом многоэлементной ионной имплантации, заключающимся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, в котором при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, экстрагируют из нее многоэлементный пучок с помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, и направляют его в магнитный сепаратор с относительным разрешением не более 10%, который формирует многоэлементный пучок, содержащий ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися относительно друг друга значениями величины отношения массы ионов к их заряду не более чем на 10% и сканируют сформированным многоэлементным пучком по поверхности облучаемого объекта.

Технический результат изобретения достигается также способом многоэлементной ионной имплантации, заключающимся в облучении объекта ионными компонентами фазообразующих атомов, в котором при облучении в одном источнике формируют многоэлементную плазму многозарядных ионов, затем экстрагируют из нее многоэлементный пучок этих ионов с помощью периодически и последовательно изменяющегося по амплитуде ускоряющего напряжения, изменение амплитуды которого обратно пропорционально изменению отношения массы ионов к их заряду для заданных фазообразующих атомов, после чего пучок направляют в магнитный сепаратор, с помощью которого выделяют ионы с равными по величине отношениями импульса к заряду и транспортируют их до облучаемого объекта.

Сущность изобретения по первому способу заключается в том, что в объеме камеры одного источника, соединенного по меньшей мере с двумя автономными дозаторами фазообразующих атомов, формируют из них многоэлементную плазму высокоразрядных (вплоть до «голого» ядра) ионов. С помощью электрического поля, сформированного постоянным по величине ускоряющим напряжением, экстрагируют из плазмы многоэлементный пучок многозарядных ионов и направляют его в магнитный массепаратор. Магнитный сепаратор с относительным разрешением не более 10% выделяет ионные компоненты фазообразующих атомов с различающимися не более чем на 10% относительно друг друга значениями величины отношения массы иона к их заряду. Поскольку магнитный сепаратор с пониженной разрешающей способностью формирует пучки каждого из выделенных ионов пространственно сдвинутыми относительно друг друга в фокальной плоскости магнитного сепаратора на величину, определяемую величиной его разрешения, то необходимо использовать систему пространственного сканирования сформированного многоэлементного пучка по бомбардируемой поверхности объекта. Сканирование пучка является необходимым условием для обеспечения формирования на облучаемой поверхности образца равномерного потока многоэлементных ионов, а следовательно, равномерного и единовременного ввода в облучаемый объект требуемых легирующих элементов.

Сущность изобретения по второму способу заключается в том, что в объеме камеры источника, соединенного по меньшей мере с двумя автономными дозаторами фазообразующих атомов, формируют из них многоэлементную плазму высокозарядных (вплоть до «голого» ядра) ионов. С помощью периодически изменяющегося по амплитуде электрического поля, сформированного модулятором амплитуды прямоугольных импульсов ускоряющего напряжения, последовательно экстрагируют многоэлементный пучок многозарядных ионов с соответствующими энергиями. Амплитуды ускоряющих напряжений для каждого типа ионов из многоэлементного пучка выбирается из условия формирования для каждого из ионов одинаковой величины отношения импульса к заряду с целью обеспечения условия их прохождения через магнитный сепаратор до объекта. Длительность периодического действия величины ускоряющего напряжения для каждого из ионов (скважность) выбирается из условия заданной относительной концентрации имплантируемых ионов в облучаемом объекте. Ионы, периодически и последовательно ускоренные до выбранных энергий, направляются через магнитный сепаратор на облучаемый объект.

На фиг.1 приведена принципиальная схема установки для формирования многоэлементного ионного пучка. Установка состоит из источника ионов 1, контейнеров для рабочих веществ 2, 3, 4, линии транспортировки многокомпонентного ионного пучка 5, магнитного сепаратора 6, сканирующего устройства 7, облучаемого объекта 8, выпрямителя ускоряющего напряжения 9, модулятора ускоряющего напряжения 10.

Рабочие вещества в необходимой пропорции из контейнеров 2, 3 и 4 подают в камеру источника многозарядных ионов 1. В камере формируется многоэлементная плазма многозарядных ионов. Пучок многозарядных ионов экстрагируют из ионного источника с энергией, которая задается выпрямителем ускоряющего напряжения 9. В соответствии с первым способом после прохождения линии транспортировки 5 и магнитного сепаратора 6 из многоэлементного пучка выделяются ионы с величинами отношения их массы к их заряду, отличающимися не более чем на 10%. При этом фокус каждого из ионов пространственно смещены в фокальной плоскости сепаратора, перпендикулярной к пучку. В этой связи необходимо обеспечить условия сканирования выделенного магнитным сепаратором многоэлементного пучка с помощью сканирующего устройства 7 вдоль поверхности облучаемого объекта 8.

Во втором способе, когда используются модулятор величины ускоряющего напряжения 10, каждый ион приобретает соответствующие ускоряющему напряжению энергии, обеспечивающие одинаковую величину отношения импульса иона к его заряду. При этом фокус каждого из прошедшего через магнитный сепаратор пучка пространственно совмещен в фокальной плоскости сепаратора. Поэтому для одновременного «вхождения» пучков ионов в облучаемый объект исключается необходимость использования их сканирования.

Ионы с различной величиной отношения их массы (А) к их заряду (Z) например, ¹¹В⁴⁺ (А_В/Z_В=2,75), ¹²С⁴⁺ (A_С/Z_С=3), ¹⁴N⁵⁺ (А_N/Z_N=2,8) могут быть одновременно направлены на объект при постоянном ускоряющем напряжении (U₀ ) и использовании магнитного сепаратора с величиной относительной разрешающей способностью ниже 10%. При этом в условиях сканирования многоэлементного пучка по облучаемой поверхности объекта обеспечиваются условия формирования в нем пространственно подобных профилей ионного легирования (Фиг.2).

Те же ионы при использовании второго способа могут единовременно транспортироваться до облучаемого объекта при использовании следующих величин периодически и последовательно изменяющихся ускоряющих напряжений. Приняв, например, для иона ¹²С⁴⁺ величину ускоряющего напряжения U _С=20 кВ, тогда для ¹¹В⁴⁺, U_B =U_СxA_С/Z_СxZ_B/A _B=21,8 кВ, а для ¹⁴N⁵⁺ U_N =U_СxA_С/Z_СxZ_N/A _N=21,4 кВ, что и обеспечивает равенство для данных ионов величины отношения импульса к их заряду и их последовательное прохождение через магнитный сепаратор. При синтезировании в облучаемом объекте, например, фазы типа CNB, при равенстве потоков ионов С, N и В длительность периодического и последовательного действия в течение всего времени облучения для каждого из ускоряющих напряжений устанавливаются одинаковыми. На Фиг.3 приведены для данного случая многоэлементного облучения расчетные профили легирования.

Источники информации

1. Х.Риссел, И.Руге. Ионная имплантация. Москва.: Наука. 1983.

2. Application of ion Beam to Materials. (Eds. Carter G., Colligon J.S., Grant W.A.) Inst. Of Phys. Cont. Ser.28. 1976.

3. Углов В.В., Кулешов А.К., Кенигер А., Хаммер К., Раушенбах Б. Нанотвердость железа при моно и двойной имплантации азота и бора//Поверхность. 6. 1997. (98-101).

4. V.V.Uglov, D.P.Rusalcky, V.V.Khodasevich and at. al. Modified layer formation by means of high current density nitrogen and implantation.// Surface and Coatings Technology 103-104 (1998) 317-322.

5. S.Shukuri et. al. United States Patent №4.716.127. Dec.29, 1987.

6. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Кн. Оборудование ионной имплантации. Москва.: Радио и связь, 1988.