устройство для ионного распыления мишени и/или обработки поверхности объекта и способ его применения

Формула изобретения

1. Устройство для ионного распыления мишени или ионной обработки поверхности объекта, содержащее кольцевой источник ионов и держатель мишени или объекта, отличающееся тем, что источник ионов выполнен с возможностью формирования ионного пучка, распространяющегося в промежутке между двумя условными вложенными друг в друга сходящимися - в направлении от источника ионов к держателю объекта (мишени) - коническими поверхностями, образующие которых составляют с общей осью конусов разные углы и общее основание которых совпадает с окружностью, ограниченной круговой выходной щелью кольцевого источника ионов, и с возможностью изменения расстояния между источником ионов и держателем объекта (мишени).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель объекта (мишени) выполнен с возможностью поворота и/или вращения вокруг одной или нескольких осей и снабжен средствами терморегулирования и приводом вращения и наклона.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь окружности, ограниченной круговой выходной щелью кольцевого источника ионов, не меньше площади описанной окружности контуров обрабатываемого объекта (мишени).

4. Способ использования устройства по любому из пунктов 1-3, отличающийся тем, что расстояние между держателем объекта (мишени) и ионным источником вдоль оси последнего меняют по заданному закону.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что держатель с объектом (мишенью) вращают по заданному закону и/или изменяют угол его оси с осью источника ионов по заданному закону.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области устройств и способов для воздействия потоками ионов на поверхность объекта, а именно для ионного распыления мишеней, для ионной обработки поверхности объектов. Понимается при этом, что при ионном распылении цель состоит в получении нейтрального и/или ионизированного потока частиц материала мишени для дальнейшего использования этого потока, а при ионной обработке поверхности объекта целью является изменение свойств этой поверхности и приповерхностных слоев объекта для дальнейшего использования данного объекта, хотя распыление при этом тоже может иметь место.

Известны и широко используются многочисленные устройства и способы для ионного распыления мишеней, содержащие источник ионов и средства для ускорения ионов до нужной энергии [например, патенты США № № 5080455, 5492605, 6063244, заявка США № 2009/0236217].

Известны также устройства и способы для обработки поверхности ионным лучом с различными целями [например, патенты США № № 4132614, 4620898, 4855026, 4957771, 5427638, Габович Н.Д. и др. «Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. - М.: Энергоатомиздат, 1985], например для:

- модификации поверхности (изменения ее структуры, состава, свойств и т.п.);

- очистки;

- ионного травления (ионного фрезерования);

- полимеризации приповерхностного слоя;

- легирования приповерхностного слоя;

- полировки;

- отжига приповерхностного слоя и др.

Недостатком этих устройств и способов является недостаточная равномерность распыления или обработки.

Для обеспечения равномерного распыления мишени по ее поверхности и для получения равномерных покрытий с помощью ионного распыления принимаются специальные меры: используют сканирование ионным пучком, вращают облучаемый объект и др. [например, патенты США № № 4871433, 5373164].

Недостатком их является сложность устройств, трудности в реальном обеспечении равномерности обработки или распыления.

Ближайшим к предлагаемому изобретению аналогом является устройство, содержащее несколько кольцевых ионных источников [патент США № 6236163].

Недостатком его является сложность источника ионов и ограниченность его применения (по размерам обрабатываемого объекта).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение равномерности обработки или распыления поверхности объекта, повышение равномерности наносимых слоев и расширение возможностей применения.

Указанная задача решается тем, что устройство для ионной обработки и/или ионного распыления содержит держатель мишени или другого объекта (далее - держатель), выполненный с возможностью поворота и/или вращения вокруг одной или нескольких осей, и содержит кольцевой ионный источник, выполненный с возможностью формирования ионного пучка, распространяющегося в промежутке между условными вложенными друг в друга сходящимися по направлению от источника к держателю коническими поверхностями с общим основанием, ограниченным круговой выходной щелью кольцевого источника ионов, и боковыми поверхностями, образующие которого составляют с общей осью конусов разные углы, причем устройство выполнено с возможностью изменения расстояния между держателем и источником ионов.

При этом сечение ионного пучка плоскостью, перпендикулярной оси конусов, будет представлять собой кольцо. Радиус и ширина кольца зависят от расстояния L между секущей плоскостью и плоскостью источника ионов:

- при L=0 радиус кольца совпадает с радиусом выходной щели источника, а ширина примерно равна ширине выходной щели;

- при увеличении L в пределах от нуля до высоты меньшего конуса h2 (0<L<h₂) радиус кольца убывает, а ширина его возрастает;

- в пределах h₂<L<h₁, где h₁ - высота большего конуса, кольцо вырождается в окружность;

- при L>h₁ радиус кольца и его ширина растут с увеличением L.

Очевидно, что зона обработки ионным пучком зависит от L таким же образом.

Способ использования предложенного устройства основан на следующем.

Изменение расстояния L приводит к изменению области обработки объекта (зоны распыления мишени). С увеличением расстояния L уменьшается плотность тока ионного пучка. Учитывая теоретически или на основе опыта эти два фактора, определяют программу, по которой меняют расстояние L в процессе ионной обработки или ионного распыления, т.е. расстояние между держателем объекта и ионным источником (вдоль оси ионного источника) меняют по заданному закону.

Для расширения возможностей предлагаемого устройства держатель снабжен средствами терморегулирования и приводом вращения и наклона. Терморегулированием добиваются оптимальных режимов ионной обработки объекта (распыления мишени), заданием углов - оптимальных условий для целей конкретного применения взаимодействия ионов с поверхностью, вращением - дополнительной равномерности обработки объекта (распыления мишени).

Управление углами наклона, углами поворота и скоростью вращения держателя также производят по рассчитанной теоретически и/или экспериментально найденной программе.

Возможным вариантом исполнения может быть устройство, рассчитанное на определенный предел размеров обрабатываемого объекта. Для этого устройство выполнено так, что площадь окружности, ограниченной круговой выходной щелью кольцевого источника ионов имеет площадь не меньше площади обрабатываемого объекта (мишени) или, точнее, площади описанной (в геометрическом смысле) окружности контуров объекта (мишени). Такое соотношение размеров позволяет не увеличивать расстояние L за пределы значения L=h₁, что позволяет не увеличивать габаритов объема обработки объекта и не устанавливать объект на больших расстояниях, где плотность тока пучка мала, т.к. она обратно пропорциональна L².

На фигуре изображена схема устройства (без второстепенных и общеизвестных деталей). Цифрами на фигуре обозначены:

1 - ионный источник;

2 - анод ионного источника;

3 - катод ионного источника;

4 - держатель объекта с объектом (мишенью);

5 - границы ионного пучка в сечении;

6 - держатель объекта с объектом (мишенью) в другом положении.

Примером конкретного исполнения может служить устройство для распыления мишени титана, содержащее ионный источник с круговой выходной щелью источника ионов диаметром 300 мм, способный создавать пучок ионов с энергией от 100 эВ до 1 кэВ с полным током от 1,0 мА до 300,0 мА, направленный под углами от 20° до 40° по отношению к плоскости источника. Примером режима является режим при средней энергии ионов 1кэВ, полном токе ионного пучка 1,0 мА, угол наклона рабочей поверхности держателя мишени и самой мишени диаметром 200 мм по отношению к плоскости ионного источника составляет 20°, расстояние L меняют от 10 мм до 90 мм и обратно с переменной скоростью с частотой 0,1 Гц, а мишень вращают вокруг своей оси с частотой 11 Гц.