|
Нейтрализация ионного пучка
Сотрудники компании Kaufman & Robinson, Inc.
 
ВВЕДЕНИЕ
Как это отмечено в Technical Note KRI-01, широкий ионный пучок промышленного ионного источника может быть нейтрализован. Это делается с помощью испускаемых нейтрализатором электронов. Могут использоваться нейтрализаторы типов нагретой нити, плазменного моста или полого катода. Ионный источник, показанный на рис. 1, может быть либо сеточным, либо бессеточным. В бессеточных источниках нейтрализатор называется катод-нейтрализатор. Мишенью может служить распыляемая мишень или подложка для травления. Подключённый на рис. 1 вольтметр служит измерителем нейтрализации.
РЕКОМБИНАЦИЯ
Рекомбинация электронов с ионами высокой энергии для получения достаточной нейтрализации неэффективна, поскольку требуемое фоновое давление – один миллиторр и менее.
НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА
Плотность электронов в широком ионном пучке примерно равна плотности ионов. В физике плазмы это называется «нейтрализация объемного заряда» или «квазинейтральность».
Например, рассмотрим длинный, цилиндрический ионный пучок с энергией 500 эВ, диаметром 10 см и плотностью тока 1 мА/см2. Если электроны отсутствуют, разность потенциалов между осью и внешней поверхностью пучка будет около 14000 В. Очевидно, что такая разность потенциалов нереальна для ионов с энергией 500 эВ. Чтобы эта разность потенциалов была уменьшена с 14000 до 140 В, в среднем для нейтрализации объемного заряда каждых 100 ионов необходимо около 99 электронов. Экспериментально известно, что при недостатке электронов увеличивается потенциал ионного пучка. При потенциале относительно окружающих деталей около 200 В, появляются небольшие электрические дуги между пучком и этими деталями. Эти дуги поставляют достаточное количество электронов для предотвращения дальнейшего роста потенциала. Нейтрализующие электрические дуги могут появляться и внутри вакуумной камеры как вспышки длиной 1-2 мм очень короткой продолжительности. Если недостаток нейтрализации достаточно велик, на расположенных поблизости деталях электрические дуги будут появляться почти непрерывно, образуя постоянное свечение. Эти электрические дуги могут повредить обрабатываемые детали. Если дуги образуются на оборудовании около обрабатываемой детали, его частицы могут осаждаться на нее.
При энергиях ионов менее 200 эВ более вероятно, что луч будет сильно расходящимся или ионный источник прекратит работу до того, как потенциал луча возрастет до уровня, достаточного для появления этих нейтрализующих дуг.
Итак, для работы ионного источника в нормальном режиме, ионный луч должен быть нейтрализован от объемного заряда. Даже если потенциал ионного пучка будет достаточен для образования нейтрализующих электрических дуг, в любом объеме пучка будут небольшие отклонения от равного числа электронов и ионов.
ТОКОВАЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ
Токовая нейтрализация происходит, когда эмиссия электронов к пучку ионов равна величине ионного тока этого пучка. В сеточном источнике токовая нейтрализация появляется, когда эмиссия нейтрализатора становится равной току ионного пучка. В бессеточном источнике для нее необходимо, чтобы эмиссия катода-нейтрализатора была равна току разрядки.
На рис. 2 показано влияние эмиссии катода-нейтрализатора на потенциал мишени для бессеточного ионного источника Энд-Холл, работающего при токе разряда 5А. Потенциал мишени измерялся как это показано на рис. 1. Этот потенциал был близок к нулю (-2 В) при токе нейтрализации, медленно уменьшающимся при избыточной эмиссии электронов и быстро возрастающим при недостаточной. Мишень имела площадь 2 см2 и находилась на расстоянии 30 см от ионного источника. Для мишени, захватывающей более большую часть ионного пучка, отклонения потенциала мишени тоже будут более большими. Тем не менее, вне зависимости от размера мишени, токовая нейтрализация приводит к близко оптимальным потенциалам для электрически изолированных мишеней.
ПРАКТИЧЕСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Мишень заземлена, стенки камеры заземлены
Если мишень электропроводна и заземлена, требования к нейтрализации умеренные. Электроны необходимы только для того, чтобы компенсировать потери электронов с более высокой энергией, которые поглощаются близлежащими проводящими поверхностями. Вторичные электроны от столкновений ионов с заземленными поверхностями помогают компенсировать эти потери, но обычно для предотвращения нейтрализующих электрических дуг необходимо иметь несколько эмиссий электронов. Рекомендовано, чтобы эмиссия электронов отличалась не более чем на ±10% от токовой нейтрализации, но маловероятно, что связанные с электрическими дугами повреждения произошли бы без недостатка более чем в 50% или избытка более в чем 100%.
Мишень электроизолирована, стенки камеры заземлены
Мишень может быть электроизолирована из-за того, что изготовлена из диэлектрического материала, покрыта диэлектриком или по другим причинам. Предполагается, что стенки вакуумной камеры или экран от запыления внутри камеры будут проводящими и заземленными. Вакуумная камера заполнена плазмой с зарядовым обменом (см. Tech. Note KRI-03). Эта плазма обеспечивает электрически проводящий путь от ионного пучка к стенкам. Рекомендовано, чтобы эмиссия электронов была установлена между токовой нейтрализацией и на 10% больше этой величины. Любая чрезмерная эмиссия будет уходить в стенки вакуумной камеры без образования чрезмерного заряда на мишени.
Мишень, чувствительна к заряду, стенки камеры заземлены
Этот случай похож на описанный выше, за исключением того, что мишень к тому же чувствительна к повреждению от статического электричества [1]. Как предварительная рекомендация: эмиссия электронов должна быть между токовой нейтрализацией и 5-ю процентами выше нее. Рекомендованная диагностика – измерение потенциала электрически изолированной мишени, как это показано на рис. 1. Измерение этого потенциала во время всего цикла от включения до выключения может быть полезно для изменения процесса с целью уменьшения повреждений. Потенциал мишени относительно земли должен находиться в пределах ±5 В или меньше, если происходят повреждения. С помощью диагностического тестирования можно установить, что эмиссия электронов с избытком в 10-20% может использоваться без появления проблем. Если пучок состоит из ионов кислорода, использование графита для диагностической мишени может замедлить его нанесение на диэлектрик.
Напыление диэлектрика, стенки покрыты диэлектриком
При напылении диэлектрика он часто осаждается по всей поверхности вакуумной камеры. В результате плазма с зарядовым обменом не будет способна обеспечить соответствующие пути проводимости для избыточных электронов и могут появиться разрушения даже при довольно малых отклонениях от оптимальной эмиссии электронов. Эмиссия электронов должна быть установлена в диапазоне ±5% от тока нейтрализации. При существовании какого-либо сомнения в точности измерений, откалибруйте измерительные приборы (см. ниже Диагностика). Если это возможно, для контакта с заряженной плазмой около ионного источника необходимо установить заземлённую проводящую пластинку площадью в несколько сотен квадратных сантиметров. Такая пластинка может быть тенью-экраном от напыления или просто частью экрана от запыления, который встречается более часто, чем общее экранирование. Если такую контактную пластину поддерживать в рабочем состоянии, то возможно и уменьшение повреждения обрабатываемой детали, и уменьшение чувствительности к излишней эмиссии электронов.
Диагностика
Если замечены нейтрализующие электрические дуги и/или повреждения мишени, но рабочие условия выглядят приемлемыми, проверьте амперметры относительно друг друга или некоторого общего стандартного прибора. Иногда бывают большие отклонения и у новых приборов.
Для обеспечения соответствующей проводимости к пучку, нитевой нейтрализатор можно разместить внутри пучка ионов. Другие типы нейтрализаторов менее чувствительны к месту установки.
ЛИТЕРАТУРА1. D.H. Olson, “Ion Milling Induced ESD Damage During MR Head Fabrication,” EOS/ESDSymposium 98-332, pp. 4B.2.1-4B.2.9, 1998. |
|
2015-2020 
