Безызлучательный способ получения потока электронов в вакууме Российский патент 2023 года по МПК H01J9/02 H01J1/30 

Изобретение относится к способам создания потока электронов в вакууме и может использоваться для исследования характеристик чувствительных к электронам матриц, контроля качества поверхности полупроводниковых материалов, а так же в различных приборах, чувствительных к потоку электронов, например, в лавинных фотодиодах, в качестве детекторов электронов и пр.

Из уровня техники известен способ формирования потока электронов на основе термоэмиссионного катода. Термоэмиссионный катод, управляющий электрод и анод, расположенные в вакуумном объеме, образуют устройство формирования электронного луча - электронную пушку (см., например, Парфенов О.Д. "Технология микросхем", стр. 101, https://www.ngpedia.ru/id79203pl.html). Диаметр электронного луча регулируется за счет электростатической фокусировки.

Эффект термоэмиссии обеспечивает эмиссию электронов с поверхности катода благодаря нагреву катода до температуры от 900 К. Недостаток технического решения заключается в том, что нагретый термоэмиссионный катод излучает в инфракрасном (ИК) диапазоне, ≤ 1100 нм, а анод, представляющий собой кремниевую пластину, регистрирует это излучение, и поэтому невозможно на кремниевой пластине отделить картинку, формируемую потоком электронов и картинку, формируемую засветкой тепловым излучением. Поэтому данный способ формирования потока электронов невозможно использовать для интересующих нас применений.

Известен способ формирования потока электронов при засветке фотокатода излучением благодаря эффекту фотоэлектронной эмиссии (см., например, https://lemzspb.ru/tok-emissii-s-fotokatoda/). Фототок образуется при облучении фотокатода излучением в различных спектральных диапазонах. Однако для активации такого фотокатода с целью формирования электронного пучка надо использовать внешнее излучение, которое в условиях вакуумного объема будет так же попадать на анод. Изолировать анод от излучения, подаваемого на фотокатод, в условиях вакуумной камеры достаточно сложно, и на практике невозможно. Поэтому на аноде так же будет смешение излучения, вызванного потоком электронов и внешнем излучением засветки, и поэтому данный способ не может быть использован для вышеперечисленных применений.

Известен способ формирования потока электронов на основе автоэмиссионного катода (см., например, RU2504858, патентообл. Боршманов В.С. и др., от 2011-07-07, МПК Н01J 1/30). Данный способ основан на эффекте испускания электронов проводящими телами под действием внешнего электрического поля. При этом не требуется дополнительное приложение энергии - нагрев или обучение. Поэтому такой катод называется холодным катодом. Способ выбран в качестве прототипа. Недостаток данного способа заключается в том, что катоды, основанные на эффекте автоэмиссии, требуют подачи высокого напряжения и, как правило, выдают сигнал, неравномерный по площади. Кроме того, при автоэмиссии энергия электронов достаточно высокая и такие электроны начинают генерировать рентгеновское излучение, которое разрушает матрицу формирования изображения, и, соответственно, не подходит для вышеописанных применений.

Задача настоящего технического решения заключается в получении потока электронов в вакууме способом без излучения, который позволяет исследовать характеристики высокочувствительных матриц формирования электронного изображения, исследовать свойства поверхностей различных полупроводниковых материалов и др.

Технический результат заключается в возможности создавать низкоуровневый ток в вакууме, в диапазоне от долей наноампера до нескольких микроампер, величину и интенсивность которого можно точно регулировать. Так же технический результат заключается в экономии материалов и времени при тестировании матриц формирования изображения и исследовании поверхности материалов.

Безызлучательный способ создания потока электронов в вакууме заключается в том, что в темную высоковакуумную камеру помещают катод и анод, где в качестве катода используют фотокатод с переносом электронов на основе гетероструктуры A^IIIB^V с металлической сеткой, нанесенной со стороны эмиссии электронов, с шириной линии сетки 1-5 мкм и шагом сетки 1-100 мкм, причем фотокатод располагают на кронштейне с возможностью изменения его положения, производят термическую очистку и активацию фотокатода в вакууме, фотокатод за счет движения кронштейна располагают напротив анода, после чего на металлическую сетку фотокатода подают напряжение смещения в диапазоне нескольких Вольт для генерации в темноте потока электронов, а между фотокатодом и анодом создают разность потенциалов в диапазоне 100-5000 В для регулировки энергии электронов.

Сущность технического решения заключается в следующем.

При подаче напряжения смещения на фотокатод гетероструктуры A^IIIB^V возникает эффект эмиссии электронов, генерируемых тепловой энергией при комнатной температуре внутри структуры фотокатода, и регулируя напряжение на фотокатоде можно получить ток в несколько наноампер.

Благодаря подаче напряжения смещения на металлическую сетку обеспечивается регулировка интенсивности потока электронов. Данный способ позволяет регулировать ток, т.е. количество испускаемых фотокатодом электронов, а напряжение между катодом и анодом регулирует энергию электронов.

Ток в диапазоне от доли нано ампер до нескольких нано ампер необходим для исследования характеристик матриц формирования электронного изображения в таких задачах, как: 1. измерение границы нижней области чувствительности матрицы формирования изображения, 2. коэффициента усиления матрицы - сколько при попадании одного электрона рождается электронно-дырочных пар. Так же способ может использоваться при исследовании равномерности электронных свойств матрицы. При засветке электронами виден рельеф поверхности полупроводникового материала матрицы, благодаря тому, что рождение электронно-дырочных пар происходит в приповерхностном слое при малой энергии потока электронов.

Способ осуществляют следующим образом.

Принципиальная схема изображена на Фиг. 1.

В темную высоковакуумную камеру 1 помещают катод 2 и анод 3, где в качестве катода используют фотокатод гетероструктуры A^IIIB^V с металлической сеткой 4, нанесенной на фотокатод со стороны эмиссии электронов, с шириной линии сетки 1-5 мкм и шагом сетки 1-100 мкм. Фотокатод располагают на кронштейне (на фиг. не показан) с возможностью изменения его положения. Фотокатод располагают на подвижном кронштейне для того, чтобы можно было произвести его активацию с нанесением цезия Cs для понижения работы выхода. Фотокатод активируют после проведения термической очистки в вакууме при высокой температуре с удалением окисных слоев с последующим осаждением оптимального количества Cs и кислорода для уменьшения работы выхода электронов. Нанесение цезия Cs производят по стандартной технологии активировки фотокатода. Для активации фотокатода цезием фотокатод за счет подвижного кронштейна располагают напротив источника цезия, так же расположенного в данной вакуумной камере, а затем, после активации, фотокатод 2 поворотом кронштейна располагают напротив анода 3. В качестве анода 3 используют исследуемый чувствительный к электронам образец, например: матрицу формирования изображения или лавинный диод или др.

Конструкция темной высоковакуумной камеры является стандартной и представляет собой вакуумную камеру с возможностью создания высокого вакуума, с возможностью изоляции от внешних источников излучения, оснащенной кронштейном - манипулятором, перемещающим внутри вакуумной камеры в нужное положение фотокатод относительно анода и источника Cs. Устройство вакуумной камеры и характер расположения элементов в ней не влияет на сущностью технического решения. В общем случае, для реализации способа могут использоваться другие конструкции вакуумной камеры и способы расположения элементов в ней, позволяющие, например, для осуществления необходимых операций активации изменять положение не фотокатода, а анода, или достигнуть данной цели без перемещения.

После подачи на фотокатод напряжения смещения U_см в несколько В для генерации тока электронов, между фотокатодом и анодом изменяют разность потенциалов обычно от 100 В до нескольких киловольт, измеряя величины сигнала с анода (матрицы или диода) при разных напряжениях. Измерение сигнала с анода производиться при его потенциале, близком к нулю. Получившийся сигнал от засветки анода потоком электронов выводят через выход 5.

Данный способ позволяет получить технический результат, заключающийся в создании низкоуровневого тока в вакууме в диапазоне от долей наноампера до нескольких микроампер, величину и интенсивность которого можно точно регулировать. Кроме того, данный способ обеспечивает экономию материалов и времени при тестировании и отбраковке матриц формирования электронного изображения и исследовании поверхности материалов, так как применяемый фотокатод можно многократно использовать, подвергая его многократной активировке.

С помощью применения данного способа можно исследовать коэффициент усиления ППЗ матрицы (прибор с переносом заряда). На фиг. 2 приведены графики зависимости коэффициентов усиления от ускоряющего напряжения для двух разных матриц ППЗ, изготовленных разными технологиями. Расчет коэффициента усиления матрицы ППЗ приведен ниже.

Для расчета коэффициента усиления необходимо знать отношение количества фотоэлектронов, вылетающих в вакуумный промежуток с фотокатода (N_in), к количеству электронов, зарегистрированных матрицей ППЗ (N_out). В общем виде коэффициент усиления (G) можно представить следующей формулой:

Для матрицы ППЗ достаточно измерить величину среднего полезного сигнала каждого пикселя (U_C), далее, зная коэффициент преобразования (K=4 мкВ/электрон), можно рассчитать количество электронов, зарегистрированных одним пикселем за время накопления кадра (t=40 мс):

Для определения потока фотоэлектронов выводы матрицы ППЗ закорачивались между собой, таким образом измерялась плотность тока электронов (J) с катода. Формула для расчета количества электронов выглядит следующим образом:

где е - элементарный заряд, S_пикс - площадь одного пикселя матрицы, J_ф - плотность тока электронов с фотокатода, t - время накопления кадра.

Подставив (II) и (III) в (I) получим итоговую формулу для расчета коэффициента усиления:

Зная реальный коэффициент усиления исследуемой матрицы ППЗ можно также рассчитать ее эффективность сбора носителей заряда или, иными словами, квантовый выход (QE). Для этого достаточно рассчитать идеальный коэффициент усиления (G₀) при данной энергии фотоэлектронов при торможении в кремнии:

где U_фк - напряжение между фотокатодом и анодом (матрицей);

Е_n-р=3.6 эВ - энергия рождения электронно-дырочной пары в кремнии при торможении ускоренных фотоэлектронов в его объеме.

Таким образом рассчитывается квантовый выход (QE) матрицы:

Изобретение относится к способам создания потока электронов в вакууме и может использоваться для исследования характеристик чувствительных к электронам матриц, контроля качества поверхности полупроводниковых материалов, а также в различных приборах, чувствительных к потоку электронов, например, в лавинных фотодиодах, в качестве детекторов электронов. Технический результат - возможность получать поток электронов в вакууме, величиной от долей наноампера до нескольких микроампер, величину и интенсивность которого можно точно регулировать, экономия материалов и времени при тестировании матриц ППЗ и исследовании равномерности их чувствительности к электронам. Безызлучательный способ создания потока электронов в вакууме заключается в том, что в темную высоковакуумную камеру помещают катод и анод, где в качестве катода используют фотокатод с переносом электронов на основе гетероструктуры A^IIIB^V с металлической сеткой, нанесенной со стороны эмиссии электронов, с шириной линии сетки 1-5 мкм и шагом сетки 1-100 мкм, причем фотокатод располагают на кронштейне с возможностью изменения его положения, производят термическую очистку и активацию фотокатода в вакууме стандартным способом, фотокатод за счет движения кронштейна располагают напротив анода, после чего на металлическую сетку фотокатода подают напряжение смещения в диапазоне нескольких вольт для генерации в темноте потока электронов, а между фотокатодом и анодом создают разность потенциалов в диапазоне 100-5000 В для регулировки энергии электронов. 2 ил.

Безызлучательный способ создания потока электронов в вакууме заключается в том, что в темную высоковакуумную камеру помещают катод и анод, где в качестве катода используют фотокатод с переносом электронов на основе гетероструктуры A^IIIB^V с металлической сеткой, нанесенной со стороны эмиссии электронов, с шириной линии сетки 1-5 мкм и шагом сетки 1-100 мкм, причем фотокатод располагают на кронштейне с возможностью изменения его положения, производят термическую очистку и активацию фотокатода в вакууме, фотокатод за счет движения кронштейна располагают напротив анода, после чего на металлическую сетку фотокатода подают напряжение смещения в диапазоне нескольких вольт для генерации в темноте потока электронов, а между фотокатодом и анодом создают разность потенциалов в диапазоне 100-5000 вольт для регулировки энергии электронов.