CS253199B1 - Zařízení pro implantaci rotačně symetrických povrchů a dutin - Google Patents

Abstract

Zařízení pro implantaci rotačně symetrických povrchů a dutin je tvořeno diagnostickou jednotkou svazku iontů, za níž jsou umístěny elektrostatický vertikální a horizontální deflektor svazku iontů. Svazek iontů je zaměřen na substrát, který je uložen v upínacím prvku, spojeném přes převodový člen pro změnu úhlu osy rotace s pohonnou jednotkou.

Description

Vynález se týká zařízení pro implantaci rotačně symetrických povrchů a dutin, využívaného zejména v mikrometalurgii například pro zušlechtování povrchu materiálů.

Metody implantace iontů byly doposud využívány v aplikacích na rovinné plochy polovodičů. Nové trendy rozvoje však směřuji k metalurgii, kde jsou řešeny otázky zušlechtování povrchů libovolného tvaru a to nitridací a nástřelem dalších iontů jako například uhlíku, titanu, wolframu a podobně.

Klasické, metody zušlechtování kovu spočívají zejména v aplikacích technologického postupu termodifuze, při nichž dochází k průniku legujících látek pod povrch zpracovávaného materiálu. Nevýhodou procesu termodifuze je značná spotřeba legujících prvků, které jsou často velmi drahé, přičemž při procesu dochází i k těžko kontrolovatelnému průniku nežádoucích, nebo škodlivých příměsí.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro implantaci rotačně symetrických povrchů a dutin podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že ve vakuové komoře jsou za diagnostickou jednotkou svazku iontů umístěny elektrostatický vertikální a horizontální deflektor svazku iontů pro homogenní pokryti substrátu.

Vně vakuové komory je upevněna pohonná jednotka, jejíž výstup je spojen přes převodový člen pro změnu úhlu osy rotace v rozmezí od 0 do ± 90°, umístěný uvnitř vakuové komory s upínacím prvkem substrátu.

Výhody zařízení spočívají v tom, že může být pro legování využito prakticky všech prvků periodické soustavy a navíc lze syntetizovat v plasmatu iontového zdroje molekulární komplexy těžkých kovů, které v běžné praxi nejsou dosažitelné.

Dále se dosahuje význačného efektu jen na úzce vymezené části materiálu, což lze s výhodou uplatnit při průmyslovém využiti, například pro úpravu řezných ploch obráběcích nástrojů a podobně. Zavedením programového pohybu lze implantovat tělesa složitých tvarů pod povrchem do hloubek, které pro tepelné metody zpracování nejsou dostupné.

Zařízení podle vynálezu je schematicky znázorněno na přiloženém výkresu, kde na obr. 1 je nakreslena aplikace pro implantaci vnějšího povrchu a na obr. 2 aplikace pro implantaci dutiny válcového substrátu.

Na vstupu vakuové komory jsou za sebou umístěny diagnostická jednotka 11 svazku iontů a elektrostatický horizontální a vertikální deflektor 2 svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu _3. Vně vakuové komory na izolační přírubě j! je upevněna pohonná jednotka £, která je svým výstupem připojena na převodový člen 5; pro změnu úhlu osy rotace, který je umístěn uvnitř vakuov-é komory, stejně jako na jeho výstupu připojený upínací prvek 2 substrátu 2·

Diagnostická jednotka 11 svazku iontů na vstupu zařízení podle vynálezu je složena z horizontální a vertikální sondy, které slouží k přesnému vyšetřování konfigurace stopy dopadajícího svazku iontů.

Diagnostická jednotka 11 svazku iontů může být doplněna zobrazovacím systémem opticky transparentní desky, povlečené vrstvou luminiforu. Pomocí sond lze nastavit geometrii stopy s přesností několika desetin mm.

Elektrostatický horizontální deflektor JI svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu 2 uskutečňuje též selekci neutrálních komponent, jejichž původ je dán procesy výměny nábojů v interakcích s molekulami residuálního vakua.

Vysoká přesnost homogenity implantace je založena na kombinaci mechanického a elektrostatického skenu. Jednotlivé části zařízení mechanického skenu jsou upevněny na izolační přírubě 2 v terčovém prostoru vakuové komory, kde je umístěn substrát 2·

Vně izolační příruby 2 3® umístěna pohonná jednotka 4^ která je pomocí vakuově těsného průchodu spojena s dalšími prvky, uloženými uvnitř vakuové komory. Klíčovým elementem je zde převodový člen 2 pro změnu úhlu osy rotace, který tento úhel může měnit v rozmezí od 0 do - 90°.

Izolační příruba 8 je chráněna před dopadem rozptýlené primární části svazku i před sekundárními produkty implantace elektricky vodivou deskou, která je^opatřena vývodem z vakuové komory a dovoluje průběžnou kontrolu vnitřních procesů měřením proudu.

Adjustace zařízení spočívá především v selekci svazku dopujících iontů na výstupu z hmotnostního separátoru. Pomocí diagnostické jednotky 11 svazku iontů je citlivě nastaven pracovní režim iontového zdroje i systém extrakce tak, aby intenzita žádané čáry hmotnostního spektra byla co nejintenzívnější a současně splňovala základní požadavky iontooptických parametrů, prokazatelné ostrostí náběhu proudu do jasně vyhraněného maxima.

Elektrostatický horizontální deflektor JL svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu 2 je nastaven tak, aby výstupní osa svazku sledovala přesně vymezenou polohu terče, tj. substrátu 2· Je-li nastavená homogenita stopy svazku v tolerancích pevně stanoveného požadavku, může být přikročeno k uskutečnění implantace povrchu válcových substrátů 2 ^za použití výhradně mechanického skenu.

Převyšuje-li axiální délka substrátu 2 vertikální rozměr stopy svazku, nebo je-li homogenita stopy nepostačující, je nutno zavést elektrostatický sken za pomoci elektrostatického vertikálního deflektoru 2 svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu 2·

Je-li současně požadována implantace čel válcových substrátů 3, lze v následující operaci změnit úhel sklonu osy rotace a dokončit implantaci po uplynutí potřebné doby expozice výhradně pomocí elektrostatického vertikálního deflektoru 2_ svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu 2*

Implantace dutin může být provedena analogickým způsobem s tím rozdílem, že jsou kladeny mnohem vyšší požadavky na nastavení základní geometrie. Pro přesné nastavení úhlu sklonu osy rotace je výhodné použít paprsku trasovacího laseru, který simuluje skutečnou geometrii vstupu.

Vzhledem k tomu, že implantace probíhá ve skloněném úhlu je nutno volit adekvátní energii dopujících iontů. Základní vztah pro totální doběh R_tot lze psát ve tvaru

2/3 2/3 1/2

0,6 (2₁ + Z₂) (1^ + M₂) M₂ E kde / 2₂ ^a ' —2 j^{sou atom}°vá čísla a hmotnosti dopadajících iontů a atomů substrátu 2· Hloubka doběhu dopujících atomů pod povrch substrátu 2 proporcionální energii dopadajícího svazku iontů. Použitá konstanta 0,6 je volena tak, aby vypočtená hodnota R_tot byla dána v mg/cm pro energii vyjádřenou keV.

Pro skloněnou plochu substrátu 2 P^od úhlem alfa platí výraz, specifikující efektivní komponentu průniku E

E = E sin alfa s kde E^ je energie primárního svazku dopadajících iontů v keV a alfa úhel sklonu osy rotace. Skutečná hloubka doběhu R_p v paralelním směru k uvažovanému vektoru energie je reprezentována průmětem totální délky dráhy R_tot pomocí vztahu

Platnost tohoto zjednodušeného výrazu je limitována pro ·

Zařízení podle vynálezu bylo vyzkoušeno na hmotnostním separátoru skandinávského typu, jakožto základním prostředku poloprovozní výroby koaxiálních detektorů jaderného záření.

11+ 2

Svazek iontů B o intenzitě okolo 3 yuA/cm a energii 20 keV, byl nastřelován v dostatečné hloubce válcového substrátu 3 vytvořeného z čistého germánia.

Vertikální rozměr stopy svazku zcela pokrýval výšku válce a homogenní aplikace dávky -14 2

5.10 at/cm byla uskutečněna výhradně použitím mechanického skenu, kdy substrát A rotoval v kolmém směru k nástřelu zvolenou rychlostí.

Čelní plochy substrátu A ^v tomto případě koaxiálního detektoru byly implantovány po sklopeni osy rotace do směru přicházejícího svazku iontů za použití elektrostatického horizon tálního deflektoru A svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu 3_.

Podmínka kolmého nástřelu není kritická a lze dosáhnout zjednodušeni další operace redukovaným náklonem, kdy osa rotace protíná horizontální osu svazku. Implantace byla potom usku tečněna po příslušné korekci energie s ohledem na velikost úhlu osy rotace.

Při implantaci povrchu konkávní dutiny substrátu A j^e možné požadavek následné implantace dna a čelního prstence realizovat současně. V prvním kroku operace bylo nutné svazek lontů odklonit pomocí elektrostatického vertikálního deflektoru 2 svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu 3 tak, aby sledoval bod průniku výkyvné osy převodového členu 5 pro změnu úhlu osy rotace. Po provedení korekce osy rotace substrátu A byla implantace uskutečněna výhradně aplikací elektrostatického horizontálního deflektoru 1 svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu A·

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Zařízení pro implantaci rotačně symetrických povrchů a dutin, tvořené vakuovou komorou na jejímž vstupu je upevněna diagnostická jednotka svazku iontů, vyznačující se tím, že za diagnostickou jednotkou (11) svazku iontů jsou za sebou umístěny elektrostatický horizontální a vertikální deflektor (1, 2) svazku iontů pro homogenní pokrytí substrátu (3), přičemž vně vakuové komory je upevněna pohonná jednotka (4), jejíž výstup je spojen přes převodový člen (5) pro změnu úhlu osy rotace v rozmezí od 0 do - 90°, umístěný uvnitř vakuové komory, s upínacím prvkem (7) substrátu (3) .