Устройство для получения интенсивных ионных пучков Советский патент 1993 года по МПК H01J3/04 

медленных ионов равна потенциалу анода источника с Основными недостатками известных устройств являются неоптимальные кон струкции электродов ионной оптики, в особенности замедляющих, что приводит к большим потерям на электрода линзы при увеличении тока замедленных частиц выше некоторой величины и низких значениях их энергиис Поэтому максимальная плотность тока ионов составляет 1 тпА/см при энергии 0,5 кэВ и резко уменьшается при I уменьшении энергии. j Ближайшим техническим решением является устройство для получения ин тенсивных ионных пучков, содержащее источник ионов с системой ускоряющих электродов Пирса и систему замедляющих электродов Пирсао Известное устройство содержит два ускоряющих и два замедляющих электрода Пирса в виде тонких металлических диафрагм конусообразной формы (для пучка круглого сечения) с углом при вершине второго по хору пучка замедляющего электрода 130-1 0 Такая же система электродов, Толь ко расположенная раствором по ходу пучка, широко используется для ускорения пучков частиц и называется пушкой Пирсао По аналогии система за медляющих электродов такой конструкции названа обратной пушкой Пирса,, В описываемом устройстве для реализации замедления на вход замедляющей системы (обратной пушки Пирса) должен поступать ускоренный пучок частиц, полностью идентичный сформироаанному прямой пушкой Пирса, т„е. параллельный пучок частиц« Это следует из симметрии решения уравнения Лапласа относительно прямой и обратной пушек Пирса, определяющего форму электродов и распределение потенциалов, при которых формируется параллельный пучок ускоренных частиц. Таким образом, при поступлении на вход обратной пушки Пирса параллельного пучка ускоренных частиц в межэлект родном пространстве происходит их замедление до энергий, определяемых величиной потенциала на втором электроде с одновременной фокусировкой пучка в параллельныйс Недостатком этого устройства :явля ётся то, что оно может работать без существенных потерь в интенсивности пучка только при очень низких значениях объемного заряда пучка, входя-, щего в систему замедления, 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., Это допустимо только при малой протяженности дрейфового пространства пучка (той части пути пучка, где на него не воздействуют никакие поля), что невозможно осуи1ествить 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 т,акже незначительна - можно получить ток ионов несколько десятков мкА при энергии 100-200 эВо 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 1 замедлякидих 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 треугольник с углом при вершине 100 совмещенный по основанию с равнобоч ной трапецией, боковые стороны кото рой 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 электро ды, относятся как 2:3: :5:12с, В предложенном устройстве достигается повышение плотности тока замедленного пучкд ионов и устранение его потерьс 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 ус корение-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 тА/см) мы всегда имеем расходящийся пучоко Т.е. перед нами стоит задача замедления расходящегося пучка о В этом случае даже использование электродов замедления оптимальной геометрии приводит к большим потерям пучка ионов. Этого можно избежать, если на вход системы замедления подавать сходящийся пучок с углом сходимости, который бы обеспечивал фор мирование в промежутке замедления нерасходящегося пучка, что устранит потери ионного;пучкас 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, Для обеспечения требуемой сходимости можно испЬльзовать электро36статические линзы. Однако использование конструкций линз, известных из литературы, не дало возможности получить требуемую сходимость для первоначально расходящихся пучков с плотностью тока до 5 гаД/см о 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 тА/см2 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 потерьо На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиго2 конструкция одиночной электростатической линзы, используемой в устройствеУстройство содержит источник ионов 1 с системой электродов ускорения. В качестве источника можно использовать дуоплазматрон, систему электродов замедления 2 и 3; электростатическую (показанную отдельно на фиго 2) линзу 4, расположенную так, что ее фокус находится за системой электродов замедления 2, 3 Разрыв 5 условно показывает дрейфовое пространство пучка о Для измерения ионного тока использован коллектор 6 о На фиго1 показан также ионный пучок 7 о Электроды замедления 2, 3 имеют форму, близкую к конусообразной (для цилиндрических пучков) с углом при вершинах 130, отверстиями посредине 10 мм, толщиной стенок 0,5 мм и диаметром 80 ммс Изготовлены они из стали 17. Xl8 HI б Т, Расстояние мемоду ними по оси составляет 5 MMj в качестве линзы применяли одиночную электростатическую линзу специальной конструкции (фиг, 3, У. Электроды линзы изготовлены из стали 12x18101. Края электродов закруглены, радиусы закруглени:я Rii 10, R 3 мм. Электроды ус1 о|эения в данном примере полностью идентичны электродам системы замедления 2,3.,

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 |Ь и и 30 . соответственно,; Диаметр отверстия электродов d равен 30 мм. Центральный электрод 9 может быть представлен ка тело вращения, представляющее в осевом сечении равнобедренный треугольник а, боковые стороны которого образуют с осью углы f, , равные kQ° Основание треугольника q , параллельное оси линзы, совмещено с верхним основанием равнобедренной трапеции Ь, боковые стороны которой составляют с осью угол IC, равный 7(°о .Диаметр отверстия d. равен 50 мм, высота треугольника 20 мм, а высота трапеции 15 мм. Расстояние между плоскостями проходных отверстий электродов 1 равно ЛО мм, диаметр цилиндрической поверхности D 120 мм

Рассмотрим работу устройства с. Пучок ионов с энергией 15-25 кэВ, получаемый с помощью интенсивного источника ионов 1 (фиго 1) после вытягивания, формирования и проводки поступает на вход линзы 4„ В силу того, что плотность тока пучка составляет 5-10 тД/см, 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 рассчитанномуо Например, при энергии пучка 20 кэВ, плотности тока 5 тА/см2 для обеспечения о(-3 на центральный электрод линзы необходиМО подать потенциал Ц кВс При замедлении 8 пространстве между электродами 2, 3 (фиг,2), в этом случае пучок формируется в параллельный,

Последнее утверждение следует

также из зеркальной симметрии решений уравнений Пуассона для формы эквипотенциальных поверхностей ускоряющей (или замедляющей) пушек Пирсз Ближний к системе получения И формирования пучка электрод 2 находится под потенциалом и, определяюиим начальную энергию пучка, а второй электрод 3 под потенциалом U, определяющим конечную энергию частиц, Т.е, на выходе из отверстия второго электрода пучок заряженных частиц имеет энергию, определяемую потенциалом Величина UQ в такой конструкции выбирается равной потенциалу второго электрода ускоряющей пушки Пирса (в нашем случае Ug 0)„

Решение для формы электродов 2иЗ применяемых в рассматриваемом устройстве, в точном виде существует для ленточного пучка бесконечной ширины с Для наиболее часто применяемого цилиндрического пучка такое решение является приближеннымо Степень приближения может быть высокой, или форма электродов может быть подобрана на моделях, например в электролитической ванне, как в нашем случае, В том и другом случаях найденная форма электродов 2, 3 обеспечивает вытягивание (или замедление вследствие зеркальной симметрии) в межэлектролном пространстве параллельного, нерасходящегося под действием пространственного заряда пучка с При этом предельная плотность тока в пучке определяется величинами межилектродного расстояния d приложенного напряжения и массы частиц М известным соотношением

-5/2

и

Ч-8

j 5,48-10- --ii-- (А/СМ2), (1)

ЧМ d2

где и - в вольтах, d - в см,

М - в атомных единицах массыI При этом угол расходимости (У, пучка после его выхода из пушки Пирса определяется соотношением

bo

(2)

tg 0,

для ленточного пучка и.

(3)

tg «,

47d

для цилиндрического пучка, где bjj - полутоящина ленточного пучка;RQ - радиус цилиндрического

пучка;

d - расстояние между электродами

Необходимо отметить, что ускоряющей частью не обязательно должна быть пушка Пирса с Такой частью может быть любое вытягивающее устройство, обеспечивающее нужные параметры пучка (плотность тока и угол расхо/тимости) Главным требованием, обеспечивающим замедление пучка ионов без потер до нужных в эксперименте или технологии энергий, является формирование на входе в систему замедления сходящегося пучка с углом сходимости, обеспечивающим формирование в системе замедления нерасходящегося пучка, которое может бьп-ь выполнено лиш с помоо1ью электростатической одиночной линзы предлагаемой конструкции. Увеличение сечения пучка приводит к незначительному уменьшению реальной предельной плотности тока, в то время как в известных устройствах наблю дается 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/см о Предлагаемое устройство для получения интенсивных ионных пучков низкой энергии при сохранении положительных качеств известных решений обеспечивает получение значительно больших плотностей токов, практически полностью устраняя потери тока на электродах замедляющей системы и при этом обеспечивая возможность управления диаметром пучка на выходе системы замедления. Это позволяет значительно повысить скорость роста пленочных кристаллов (в 10-100 раз) при использовании устройства в технологических целях, значительно повысить его эффективность (устранив непроизводительные потери тока) и управлять площадью растущей пленки.

:.. .. ,/ г;;;;;.Л/.;iV. .« , .....t .... , , ,. .«, .,,

ФигЛ