Устройство для получения интенсивных ионных пучков

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 H 01 J 3/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Я"

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 3578044/25 (22) 28.01.83 .(46) 07.02,93. Бюл. М 5 (72) З.Ф Чайковский, В.И.Пузиков, А.В.Семенов, Н.С.Харченко и А.И.Сивка (56) Хирный Ю.И., Кочемасова Л.H.

Получение пучков ионов водорода молей энергии, Приборы и техника эксперимента, 1967, 8 6, с. 33-34.

Штулингер 3., Яейц Р. Плазменные и электростатические ракетные двигатели. И., ИЛ, 1962, с. 125-129. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ИНТЕНСИВНЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ, содержащее источник ионов с системой ускоряющих электродов Пирса и систему замедляющих электродов Пирса, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения плотности тока замедленного пучка ионов и снижения потерь ионов, между системами ускоИзобретение относится к технике ионных пучков и может быть использовано при получении пленочных кристаллов из ионных пучков, легирования полупроводников, для изучения взаимодействия ионов с газами или поверхностью твердого тела и т.д.

Известно. устройство для получения ионных пучков низкой энергии, содержащее источник ионов, системы линз из двух ускоряющих и двух замедляющих электродов с отверстиями.. Ж 1108943 А1 ряющих и замедляющих электродов введена одиночная электростатическая линза, крайние электроды которой прерставляют собой тело, ограниченное коническими поверхностями с полууглами при вершине 30 и 67,5, а так же цилиндрической поверхностью,. цент" ральный электрод выполнен в виде тела вращения, осевое сечение которого представляет собой равнобедренный о треугольник с углом при вершине 100 совмещенный по основанию с равнобочной трапецией, боковые стороны которой составляют с осью углы 70, при этом высота. упомянутого треугольника, диаметр проходных отверстий в крайних электродах, расстояния между, ф плоскостями проходных отверстий в крайних и центральном электродах, диаметр отверстия в центральном электроде и. диаметр цилиндрической по-. верхности, ограничивающей электроды, относятся как 2:3:4:5: 12.

О для прохождения частиц в центре каж- ф, . дого. Замедляющие электроды представ- (,) ляет систему иммерсионных линз, выполненных в виде соосных цилиндров .различного диаметра. Потенциалы цилиндров и .расстояние между ними выбираются такими, чтобы распределение электрического поля отвечало условиям торможения пучка. Например, при энергии ускоренных ионов 19 кэВ, потенциале первого цилиндра 18 кэВ, а . второго нулю — величина энергии за110 9ч3.медленных ионов равна потенциалу анода источника, Основными недостатками известных устройств являются неоптимальные кон- 5 струкции электродов ионной оптики, в особенности замедляющих, что приводит к большим потерям на электродах линзы при увеличении тока замедленных частиц выше некоторой величины и низких значениях их энергии, Поэтому максимальная плотность тока ионов составляет 1 шА/см2 при энергии

0,5 кэВ и резко уменьшается при уменьшении энергии. !5

Ближайшим техническим решением, является устройство для получения интенсивных ионных пучков, содержащее источник ионов с системом. ускоряющих электродов Пирса и систему за- 2р медляющих электродов Пирса„

Известное устройство содержит два ускоряющих и два замедляющих электрода Пирса в виде тонких металлических диафрагм конусообразной формы 25 (для пучка круглого сечения) с углом при вершине второго по ходу пучка о замедляющего электрода 130-140 „

Такая же система электродов, толь" ко расположенная раствором по ходу 30 пучка, широко используется для ускорения пучков частиц и называется. пушкой Пирса. По аналогии система замедляющих электродов такой конструк-. ции названа обратной пушкой Пирса.

В описываемом устройстве для реализации замедления на вход замедляющей. системы (обратной. пушки Пирса) должен поступать ускоренный пучок частиц, полностью идентичный сформи- 40 рованному прямой пушкой Пирса, т„е. параллельный пучок частиц. Это следует из симметрии решения уравнения

Лапласа относительно прямой и обратной пушек Пирса, определяющего форму 45 электродов и распределение потенциалов, при которых формируется параллельный пучок ускорейных частиц, Таким образом, при поступлении на вход обратной пушки Пирса параллельного пучка ускоренных частиц в межэлектродном пространстве происходит их замедление до энергий, определяемых величиной потенциала на втором электроде с одновременной фокусировкой пучка в параллельный.

Недостатком этого устройства явля- ется то, что оно может работать без существенных потерь в интенсивности пучка только при очень низких значениях объемного заряда пучка, входя-. щего в систему замедления, т.е. при малых плотностях тока (для ионов это несколько мкА/см2), когда расширением пучка под действием этого заряда в дрейфовом пространстве между прямой и обратной пушкой Пирса можно пренебречь„

3То допустимо только при малой протяженности дрейфового пространства пучка (той части пути пучка, где на него не воздействуют никакие поля), что невозможно осуществить в реальных установках. По указанным причинам в известном устройстве на его вход будет попадать расходящийся пучок. Это приводит к рассеянию частиц как на первом электроде, так и на втором, так как условия формирования параллельного пучка в межэлектродном пространстве нарушаются, он становится расходящимся, и значительная часть ионов попадает на второй электрод, следовательно, эффективность этого устройства при работе с интенсивными пучками также незначительна - можно получить ток ионов несколько десятков мкА при энергии 100-200 эВ.

Таким образом, конструкции устройства для получения пучков заряженных частиц низких энергий и высокой интенсивности, обладающих высокой эффективностью работы (малыми потерями тока при замедлении) - качествами, необходимыми для их использования в технологических целях, не известны„

Цель изобретения - повышение плотности тока замедленного пучка ионов и устранение его потерь.

Поставленная. цель достигается тем, что в устройстве для получения интенсивных ионных пучков, содержащем источник ионов с системой ускоряющих электродов Пирса и систему замедляющих электродов Пирса, между системами ускоряющих и замедляющих электродов введена одиночная электростатическая линза, крайние электроды которой представляют собой. тело, ограниченное коническими поверхностями с полууглами при вершине 30 и 67,5, а также цилиндрической поверхностью, центральный электрод выполнен в виде тела вращения, осевое сечение которого представляет собой равнобедренный

5 1 треугольник с углом при вершине 100 совмещенный по основанию с равнобочной трапецией, боковые стороны которой составляют с осью углы 70, при этом высота упомянутого треугольника, диаметр проходных отверстий в крайних электродах, расстояния между плоскостями проходных отверстий в крайних и центральных электродах, диаметр отверстия в центральном электроде и диаметр цилиндрической поверхности, ограничивающей электроды, относятся как 2:3:4 .5.: f2.

В предложенном устройстве достигается повышение плотности тока замедленного пучка ионов и устранение его потерь.

Сущность предложенного решения заключается в следующем. В реальных задачах получения ионных пучков высокой плотности и малой энергии при использовании наиболее эффективного и широко используемого принципа "ускорение-замедление" в технологических установках всегда реализуется следующая схема формирования пучка: формирование пучка высокой энергии (для получения высокой плотности ионного пучка) - различные операции с ним (сепарация по массам, например, или другие) - замедление. Таким образом, ясно, что на входе системы электродов замедления при работе с пучками высокой плотности (более

1 mA/ñì2) мы всегда имеем расходящийся пучок, Т.е.. перед нами стоит задача замедления расходящегося пучка. В этом случае даже использование электродов замедления оптимальной геометрии приволит к большим потерям пучка ионов..Этого можно избежать, если на вход системы замедления подавать сходящийся пучок с углом сходимости, который бы обеспечивал формирование в промежутке замедления нерасходящегося пучка,. что устранит потери ионного:.пучка. Величину требуемого угла сходимости можно определить несколькими способами: электродинамическим расчетом, иСходя из геометрии электродов замедления, экспериментально, а также используя симметрию электродов ускорения и замедления и известные расчеты для пушек Пирса.

10P>f43 6 статические линзы.. Однако использо вание конструкций линз, известных из литературы, не дало возможности получить требуемую сходимость для первоначально расходящихся пучков с плотностью тока до 5 mA/ñè2, Поэтому нами экспериментально с учетом объемного заряда была найдена форма электродов одиночной электростатической линзы, которая позволяет формировать из расходящегося пучка ионов с энергиями 15-25 кэВ и углами расходимости 3-6 и плотностью тока до

5.mA/ñì2 сходящийся пучок с требуемыми углами сходимости. Использование линзы выбранной конструкции, помещенной между ускоряющими и замедляющими электродами, обеспечило выполнение поставленной цели - повышение плотности тока замедленного пучка ионов и устранение его потерь.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2конструкция одиночной электростатической линзы, используемой в уст" ройстве.

Устройство содержит источник ионов

1 с системой электродов ускорения. В качестве источника можно использовать дуоплазматрон, систему электродов замедления 2 и 3; электростатическую (показанную отдельно на фиг. 2) линзу 4, расположенную так, что ее фокус находится за системой электродов замедления 2, 3. Разрыв 5 условно

35 показывает дрейфовое пространство пучка. Для измерения ионного тока использован. коллектор 6.

На фиг.1 показан также ионный пу40 чок 7.

Для обеспечения требуемой сходимости можно использовать электроЭлектроды замедления 2, 3 имеют форму, близкую к конусообразной (для

4g цилинлрических пучков) с углом при о вершинах 130, отверстиями посредине ф 10 мм, толщиной стенок 0,5 мм и диаметром 80 мм. Изготовлены они из стали 12 Х 18 Н16 Т. Расстояние между щ ними по оси сеставляет 5 мм, в качестве линзы применяли одиночную электростатическую линзу специальной. конструкции (фиг. 3, 4). Электроды линзы изготевлены из стали 12х1810Т.

«@ Края электродов закруглены, радиусы закругления" к-„ = 10, R< =. 3 мм..Электроды ускорения- в данном примере полностье иденткцны электродам системы замедления 2, 3.

1108Э43

Крайние электроды 8 электростатической линзы (фиг, 2) имеют одинаковую геометрию и могут быть описаны как тело, заключенное между двумя усеченными конусами, совмещенных верхними основаниями с углами между образующими, и Pz 67,5 и 30 соответственно, Диаметр отверстия электродов d равен 30 мм. Центральный электрод 9 может быть tlpepcTaBJleH как тело вращения, представляющее в осевом сечении равнобедренный треугольник а, боковые стороны которого образуют с осью углы,, равные 40

Основание треугольника q, параллельl ное оси линзы, совмещено с верхним основанием равнобедренной трапеции

b, боковые стороны которой составляют с осью угол pRBHbN 70 о Диа» метр отверстия йг равен 50 мм, высота треугольника 20 мм, а высота трапеции 15 мм, Расстояние между плоскостями проходных отверстий электро" дов l равно 40 мм, диаметр цилиндрической поверхности D =- 120 мм„

Рассмотрим работу устройства„ Пучок ионов с энергией 15-25 кэВ, получаемый с помощью интенсивного источника ионов 1 (фиг,. 1) после вытягивания, Формирования и проводки поступает на вход линзы 4. В силу того, что плотность тока пучка составляет 5-10 mA/смг, на вход линзы будет поступать расходящийся пучок.

С помощью линзы осуществляется Фокусировка таким образом, что на ее выходе получает сходящийся пучок ионов.

Напряжения на линзе экспериментально подбираем таким образом, чтобы угол сходимости пучка на ее выходе был равен рассчитанному. Например, при энергии пучка 20 кэВ, плотности тока

5 вА/смг для обеспечения М =3 на центральный электрод линзы необходимо подать потенциал 14 кВ. При замедлении в пространстве между электродами 2, 3 (фиг.2), в этом случае пучок формируется в параллельный, t

Последнее утверждение следует также из зеркальной симметрии решений уравнений Пуассона для Формы эквипотенциальных поверхностей ускоряющей (или замедляющей) пушек Пирса.

Ближний к системе получения и Формирования пучка электрод 2 находится под потенциалом Uz, определяющим начальную энергию пучка, а второй элек45 tF,М

1 о

4 ° d (2) для ленточного пучка и о К M

4 й

50 для цилиндрического пучка, где Ь - полутолщина ленточного пучка;

К - ралиус цилиндрического пучка;

d - -расстояние между электродами„

Необходимо отметить, что ускоряющей частью не обязательно должна быть трод 3 под потенциалом U, определяющим конечную энергию частиц. Т.е. на выходе из отверстия второго электрода пучок заряженных частиц имеет энергию, определяемую потенциалом

U>. Величина По в такой конструкции выбирается равной потенциалу второго электрода ускоряющей пушки Пирса (в нашем случае U = О)„

Решение для формы электродов 2 и 3, применяемых в рассматриваемом устройстве, в точном виде существует для ленточного пучка бесконечной ширины, Для наиболее часто применяемого цилиндрического пучка такое решение является приближенным. Степень приближения может быть высокой, или Форма электродов может быть по20 добрана на моделях, например в электролитической ванне, как в нашем случае, В том и другом случаях найден" ная Форма электродов 2, 3 обеспечивает вытягивание (или замедлениевследствие зеркальной симметрии) в межэлектродном пространстве параллельного, нерасходящегося под действием пространственного заряда пучка. При этом предельная плотность тока в пучке определяется величинами межэлектродного расстояния и приложенного напряжения и массы частиц

М известным соотношением

35 . -S U

= 5,48 10 — — — — (А/смг) (1) Я Д2 где U - в вольтах, О в см

40,М - в атомных единицах массь1, При этом угол расходимостие(, пучка после его выхода из пушки Пирса определяется соотношением

1108943

10 пушка Пирса, Такой частью может быть любое вытягивающее устройство, обеспечивающее нужные параметры пучка (плотность тока и угол расходимости).

Главным требованием, обеспечивающим замедление пучка ионов без потерь до нужных в эксперименте или техно-. логии энергий, является формирование на входе в систему замедления сходящегося пучка с углом сходимости, .обеспечивающим Формирование в системе замедления нерасходящегося пучка, которое может быть выполнено лишь с помощью электростатической одиночной линзы предлагаемой конструкции, увеличение сечения пучка приводит к незначительному уменьшению реальной предельной плотности тока, в то время как в известных устройствах наблюдается резкое уменьшение последней.

При замедлении пучков с плотностью тока меньше предельной в системе замедления осуществляется дополнительная Фокусировка пучка, повышающая первоначальную плотность до величины, близкой к предельной. В режиме, когда плотность тока на входе в систему замедления меньше предельной, возможно управлять размерами пучка на выходе системы путем изменения потенциала на линзе и, таким образом, сходимости пучка. Обеспечивается плотность тока ионного пучка 2000 ткА/см2.

Предлагаемое устройство для получения интенсивных ионных пучков низкой энергии при сохранении положи" тельных качеств известных решений обеспечивает получение значительно больших плотностей токов, практичес» ки полностью устраняя потери тока на электродах замедляющей системы и при этом:обеспечивая возможность управления диаметром пучка на выходе сис2О темы замедления. Это позволяет значительно повысить скорость роста пленочных кристаллов (в 10-100 раз) при использовании устройства в технологических.целях, значительно повысить

25 его эффективность (устранив непроизводительные потери тока) и управлять

-площадью растущей пленки.

1108943

Редактор О.Филиппова Техред М,Моргентал Корректор B,Петраш

Ювфве Фв М б юа ° Ф J и м Ф \

Заказ 1093 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета «о изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д, 4/5

Ф

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101