Устройство и способ формирования пучков многозарядных ионов

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для формирования пучков (потоков) низкоэнергетических двух- и трехзарядных ионов щелочноземельных и редкоземельных металлов в установках для ионной имплантации и литографии, микрозондового анализа, в ионно-лучевых приборах для модификации поверхности, а также при разработке квантовых компьютеров и атомных часов. Технический результат - повышение эффективности работы источника ионов за счет генерации ионных пучков с заданной зарядностью и малым пространственным и энергетическим «размытием», что позволяет создать компактную модульную конструкцию источника, не требующую использования сложного и дорогостоящего масс-сепаратора. Устройство содержит съемный эмиттерный узел, состоящий из цилиндрического основания, выполняющего роль катодного электрода и изготовленного из металла с хорошей электро- и теплопроводностью, например меди, с плоскими торцами, на один из которых последовательно нанесены тонкая пленка рабочего вещества - щелочноземельного или редкоземельного металла, тонкая пленка твердого электролита на основе Na-β''-Al₂O₃ керамики, в котором ионы Na⁺ замещаются двух- или трехвалентными подвижными ионами рабочего вещества, и тонкая пленка пористого проводящего материала, например углерода, выполняющего роль анодного электрода, и омический нагреватель, расположенный с другого торца твердотельного резервуара. Cпособ формирования пучков многозарядных ионов состоит в образовании двухзарядных ионов щелочноземельных металлов или трехзарядных ионов редкоземельных металлов за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «катодный электрод-твердый электролит» с последующим их быстрым транспортированием через твердый электролит, стимулированным нагревом до температуры ниже температуры плавления, полевого испарения, в вакуум, и ускорения внешним электрическим полем в пространстве между анодным электродом и входной диафрагмой устройства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для формирования пучков (потоков) низкоэнергетических двух- и трехзарядных ионов щелочноземельных и редкоземельных металлов в установках для ионной имплантации и литографии, микрозондового анализа, в ионно-лучевых приборах для модификации поверхности, а также при разработке квантовых компьютеров и атомных часов. Особенностью взаимодействия низкоэнергетических (0.1-10 кэВ) многозарядных ионов с поверхностью твердых тел является низкий уровень радиационных дефектов, что способствует созданию неглубоких (приповерхностных) р-n переходов, актуальных для современных микро- и наноэлектронных полупроводниковых приборов. Также за счет повышенной по сравнению с однозарядными ионами потенциальной энергии многозарядные ионы могут использоваться для селективного наноструктурирования поверхности [1].

Из существующего уровня техники известны устройства для формирования многозарядных ионов, построенные на базе электронно- и ионно-лучевых источников, плазменных и лазерно-плазменных генераторов, приборов с электронно-циклотронным резонансом [2-5]. Способом формирования многозарядных ионов в этих устройствах является многократная ионизация рабочего вещества в плазме различной плотности и температуры, создаваемой за счет воздействия на рабочее вещество в твердом, паро- или газообразном состоянии электронными и ионными пучками, лазерным излучением. Недостатком подобных технических решений является широкий спектр зарядовых и энергетических состояний формируемых ионов. Для выделения ионов с заданным электрическим зарядом (зарядностью) и энергией используются масс-энергосепараторы, что усложняет конструкцию, повышает габариты и увеличивает стоимость таких устройств. Кроме того, вышеперечисленные устройства как правило работают при энергиях ионных пучков свыше 100 кэВ, что необходимо для хорошей фокусировки ионных пучков, но приводит к повышенному уровню радиационных дефектов в приповерхностных слоях облучаемых материалов.

Известно устройство для формирования низкоэнергетических пучков многозарядных ионов переходных и редкоземельных металлов, в котором ионы с зарядностью до 6+ создаются за счет испарения и ионизации рабочего вещества электронным пучком [6]. Устройство содержит накаливаемый катод-источник электронов, анод-резервуар рабочего вещества и электроды для формирования бомбардирующего электронного пучка, экстракции и фокусировки ионного пучка. В состав устройства входят блок питания катода и источники ускоряющего напряжения для электронов и ионов. Для выделения ионов с заданной отношением массы к заряду используется магнитный масс-спектрометр. Недостатком прототипа является присутствие в сформированном пучке ионов с различной зарядностью и разными продольными и поперечными скоростями (для каждой зарядности), что приводит к пространственному и энергетическому «размытию» пучка.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании компактного твердотельного источника ионов щелочноземельных и редкоземельных металлов, позволяющего генерировать пучок ионов заданной зарядности с меньшим пространственным и энергетическим «размытием», чем у известного прототипа, за счет физических процессов, протекающий в суперионных проводниках (твердых электролитах с быстрым ионным транспортом) без использования плазменного или электронно-лучевого ионизатора и масс-сепаратора сформированного пучка.

Решение указанной задачи достигается тем, что устройство для формирования пучков многозарядных ионов содержит съемный эмиттерный узел, состоящий из цилиндрического основания, выполняющего роль катодного электрода и изготовленного из металла с хорошей электро- и теплопроводностью, например, меди, с плоскими торцами, на один из которых последовательно нанесены тонкая пленка рабочего вещества - щелочноземельного или редкоземельного металла, тонкая пленка твердого электролита на основе Na-β''-Al₂O₃ керамики, в котором ионы Na⁺ замещаются двух- или трехвалентными подвижными ионами рабочего вещества, и тонкая пленка пористого проводящего материала, например, углерода, выполняющего роль анодного электрода, и омический нагреватель, расположенный с другого торца твердотельного резервуара. При этом способ формирования пучков многозарядных ионов состоит в образовании двухзарядных ионов щелочноземельных металлов или трехзарядных ионов редкоземельных металлов за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «катодный электрод-твердый электролит» с последующим их быстрым транспортом через твердый электролит, стимулированном нагревом до температуры ниже температуры плавления, полевого испарения в вакуум и ускорения внешним электрическим полем в пространстве между анодным электродом и входной диафрагмой устройства.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение эффективности работы источника ионов за счет генерации ионов с заданной зарядностью и малым пространственным и энергетическим «размытием», что позволяет создать компактную модульную конструкцию источника, не требующую использования сложного и дорогостоящего масс-сепаратора.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой приведена схема изобретения - устройства для формирования пучков (потоков) низкоэнергетических двух- и трехзарядных ионов щелочноземельных и редкоземельных металлов.

Изобретение содержит цилиндрическое основание 1, изготовленное из металла с хорошей электро- и теплопроводностью, например, меди. Основание выполняет роль катодного электрода; на его внешний торец методом магнетронного напыления наносится пленка рабочего вещества 2 - щелочноземельного (например, Sr или Ва) или редкоземельного (например, Се или Eu) металла толщиной несколько мкм. Пленка является резервуаром рабочего вещества, ее толщина, как и диаметр основания, на которое она наносится, не оказывают принципиального влияния на работу устройства, но определяют запас рабочего вещества и величину ионного тока. На поверхность пленки-резервуара методом импульсного лазерного напыления наносится тонкая пленка (1-1.5 мкм) твердого электролита 3. В качестве твердого электролита используются суперионный проводник на основе Na-β''-Al₂O₃ керамики [7-9], в котором ионы Na⁺ замещаются двух- или трехвалентными мобильными ионами щелочноземельного или редкоземельного металла (рабочего вещества). Далее на поверхность твердого электролита наносится тонкий слой (0.2-0.5 мкм) пористого проводящего материала 4, например, углерода, который выполняет роль анодного электрода и одновременно предохраняет твердый электролит от воздействия влаги и атмосферного воздуха. Цилиндрическое основание с пленкой твердого электролита и анодным электродом образуют съемный эмиттерный узел 5, который с внутреннего торца подогревается омическим нагревателем 6 до температуры ниже температуры плавления твердого электролита. Источник тока 7 используется для питания омического нагревателя, а источник напряжения 8 создает разность потенциалов между катодным и анодным электродами эмиттерного узла, которая определяет интенсивность формируемого ионного потока 9. Этот поток ускоряется разностью потенциалов между эмиттерным узлом и входной диафрагмой 10, находящейся под потенциалом земли, а затем фокусируется и отклоняется электростатической системой 11, состоящей в простейшем случае из одиночной линзы и отклоняющих X-Y пластин. Источником ускоряющего напряжения для потока эмитированных ионов служит высоковольтный блок питания 12, который задает кинетическую энергию ионов. Питание электростатической системы фокусировки и отклонения ионного потока осуществляется блоком 13. Устройство помещается в вакуумную камеру и откачивается до давления остаточных газов не хуже 10^-4 Па.

Способ формирования пучков многозарядных ионов осуществляется следующим образом. Между катодным и анодным электродами эмиттерного узла подается ускоряющее напряжение порядка 100-500 В, что соответствует напряженности электрического поля внутри пленки твердого электролита порядка (1-5)×10⁶ В/см при толщине этой пленки ~1 мкм. Под действием приложенного электрического поля атомы металла, из которого изготовлен резервуар, в результате окислительно-восстановительных реакций на границе «катодный электрод-твердый электролит» образуют положительные двухзарядные (например, Sr²⁺ или Ва²⁺ в случае щелочноземельных металлов) или трехзарядные (например, Се³⁺ или Eu³⁺ в случае редкоземельных металлов) подвижные ионы. Эти ионы перемещаются по туннелям быстрого ионного транспорта внутри электролита к границе «твердый электролит - анодный электрод», испаряются в вакуум и ускоряются внешним электрическим полем в пространстве между анодным электродом и входной диафрагмой. На подобном принципе работает твердотельный источник однозарядных положительных ионов серебра с твердым электролитом [10, 11]. Наличие двух источников электрического напряжения позволяет осуществлять независимую регулировку интенсивности и кинетической энергии потока эмитированных ионов. Нагрев источника до температуры 150-200°С стимулирует миграцию ионов рабочего вещества через электролит, что улучшает эффективность работы источника. Уменьшение концентрации ионов в пленке твердого электролита из-за их эмиссии в вакуум компенсируется доставкой этих ионов из резервуара, и в идеальном случае источник может работать до тех пор, пока не израсходуется весь объем резервуара.

Эффективность работы заявленного устройства выше, чем у известных технических решений за счет того, что способ формирования многозарядных ионов в таком устройстве базируется на физических процессах образования мобильных ионов на границе «резервуар-твердый электролит» и их быстрого транспорта в пленке твердого электролита, которые определяют зарядность, пространственный и энергетический разброс сформированного ионного потока. Заявленное устройство отличается компактным исполнением, так оно работает без плазменного или электронно-лучевого ионизатора и масс-сепаратора сформированного пучка, а переход от одного типа ионов к другому осуществляется простой заменой съемного эмиттерного узла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Aumayr F., Winter H. // e-J. Surface Science and Nanotechnology. 2003. V. 1. P. 171.

2. Симонов В.В., Корнилов Л.А., Шашелев А.В., Шокин Е.В. Оборудование для ионной имплантации. М.: Радио и связь, 1988. 184 с.

3. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. Перевод с англ. Под редакцией Н.Н. Семашко. М.: Мир, 1992. 358 с.

4. Elsayed-Ali Н.Е., Korwin M.L. Patent WO 2013106759 // Priority 18.07. 2013.

5. Турчин В.И. Патент на изобретение RU 2538764 // Опубл. 20.07. 2014. Бюл. №1.

6. Evtukhov R.N., Belykh S.F., Redina I.V. // Rev. Sci. Instrum. 1992. V. 63 (4). P. 2463.

7. Carrillo-Cabrera W., Thomas J.O., Farrington G.C. // Solid State Ionics 1983. V. 9-10. P. 245.

8. Dunn B. // Solid State Ionics 1986. V. 19. P. 31.

9. Иванов-Шиц A.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела. Т. 1. СПб.: СПбГУ, 2000. 616 с.

10. Tolstogouzov A., Aguas Н., Ayouchi R., Belykh S.F., Fernandes F., Gololobov G.P., Moutinho A.M.C., Schwarz R., Suvorov D.V., Teodoro O.M.N.D. // Vacuum. 2016. V. 131. P. 252.

11. Толстогузов А.Б., Дягилев А.А. Патент на полезную модель RU 165683 // Опубл. 27.10.2016. Бюл. №30.

1. Устройство для формирования пучков многозарядных ионов, отличающееся тем, что содержит съемный эмиттерный узел, состоящий из цилиндрического основания, выполняющего роль катодного электрода и изготовленного из металла с хорошей электро- и теплопроводностью, например меди, с плоскими торцами, на один из которых последовательно нанесены тонкая пленка рабочего вещества щелочноземельного или редкоземельного металла, тонкая пленка твердого электролита на основе Na-β''-Al₂O₃ керамики, в котором ионы Na⁺ замещаются двух- или трехвалентными подвижными ионами рабочего вещества, и тонкая пленка пористого проводящего материала, например углерода, выполняющего роль анодного электрода, и омический нагреватель, расположенный с другого торца твердотельного резервуара.

2. Способ формирования пучков многозарядных ионов посредством устройства по п. 1, отличающийся тем, что образование двухзарядных ионов щелочноземельных металлов или трехзарядных ионов редкоземельных металлов происходит за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «катодный электрод-твердый электролит» с последующим их быстрым транспортированием через твердый электролит, стимулированным нагревом до температуры ниже температуры плавления, полевого испарения в вакуум, и ускорения внешним электрическим полем в пространстве между анодным электродом и входной диафрагмой устройства.