Устройство для получения интенсивных ионных пучков

(5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕКТ СССР) Е ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Н АВТОРСКОМУ СВ ТЕЛЬСТ ий, В Харче(56) Хирный ЮИ., Кочемасова Л,Н, Получение пучков ионов водорода молей энергии, Приборы и техника эксперимента, 1967, 8 6, с. 33-34.Штулингер Э., Яейц Р. Плазменные и электростатические ракетные двигатели. И ИЛ, 1962, с. 125-129. (54)(57) УстРОЙстВО рля 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 за медленного пучка ионов и снижения потерь ирнов, между системами уско" Изобретение относится к техникеионных пучков и может быть использовано при получении пленочных кристаллов из ионных пучков, легированияполупроводников, для изучения взаимодействия ионов с газами или поверхностью твердого тела и т.д,Известно устройство для получения ионных пучков низкой энергии,содержащее источник ионов, системылинз из двух ускоряющих и двух за.медляющих электродов с отверстиями ряющих и замедляющих электродов введена одиночная электростатическая линза, крайние электроды которой прерставляют собой тело, ограниченное коническими поверхностями с полу углами при вершине 30 и 67,5, а так же цилиндрической поверхностью,. цент" ральный электрод выполнен в виде тела вращения, осевое сечение которого представляет собой равнобедренныйо треугольник с углом при вершине 100 совмещенный по основанию с равнобоч" ной трапецией, боковые стороны которой составляют с осью углы 70 , при этом высота. упомянутого треугольника, диаметр проходных отверстий в крайних электродах, расстояния между плоскостями прохорных 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. Одля прохождения частиц в центре каж- ф, . дого. Яамедляющие электроды представ- (,) ляет систему иммерсионных линз, вы-, полненных в виде соосных цилиндров .различного диаметра, Потенциалы ци- ф линдров и .расстояние между ниии вы" бираются 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 за 1101913.Медленных ионов равна потенциалуанода источника,Основными недостатками известныхустройств являются неоптимальные конструкции электродов ионной оптики,в особенности замедляющих, цто приводит к большим потерям на электродахлинзы при увеличении тока замедленных частиц выше некоторой величины инизких значениях их энергии, Поэтомумаксимальная плотность тока ионовсоставляет 1 вА/см 2 при энергии0,5 кэВ и резко уменьшается приуменьшении энергии. 5Ближайшим техническим решениемявляется устройство для получения интенсивных ионных пучков, содержащееистоцник ионов с системой ускоряющих электродов Пирса и систему замедляющих электродов ПирсаИзвестное устройство содержит дваускоряющих и два замедляющих электрода Пирса в виде тонких металлических диафрагм конусообразной Формы 25(для пучка круглого сечения) с угломпри вершине второго по ходу пучкаозамедляющего электрода 130-140 .Такая же система электродов, толь"ко расположенная раствором по ходу 30пуцка, широко используется для уско"рения 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 пучокчастиц, полностью идентицный сформи Орованному прямой пушкой Пирса, те.параллельный пучок цастиц. Это следует из симметрии решения уравненияЛапласа относительно прямой и обрат"ной пушек Пирса, определяющего формуэлектродов и распределение потенциалов, при которых Формируется параллельный пучок ускорейных частиц, Таким образом, при поступлении на входобратной пушки Пирса параллельногопучка ускоренных частиц в межэлектродном пространстве происходит ихзамедление до энергий, определяемыхвеличиной потенциала на втором электроде с одновременной фокусировкойпучка. в параллельный. Недостатком этого устройства явля-ется то, цто 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 этонесколько МКА/см 2), когда расширением пучка под действием этого заряда в дрейфовом пространстве между прямой и обратной пушкой Пирса можно пренебречьЭто допустимо только при малой протяженности дрейфового пространства пучка (той части пути пучка, где на него не воздействуют никакие поля), цто невозможно осуществить в реальныхустановках. По указанным прицинам 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 знацительная 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 цастиц низких энергий и высокой интенсивности, обладающих высокой эффективностью работы (малыми потерями тока при замедлении) - качествами, необходимыми для их использования в технологических целях, не известныЦель изобретения - повышение плотности тока замедленного пучка ионов и устранение его потерь.Поставленная. цель достигается тем, цто 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 ф, а также цилиндрической поверхностью, центральный электрод выполнен в виде тела вращения, осевое сечение котоРого представляет собой равнобедренный5 1треугольник с углом при вершине 100совмещенный по основанию с равнобочной трапецией, боковые стороны которой составляют с осью углы 0 , приэтом высота упомянутого треугольника, диаметр проходных отверстий вкрайних электродах, расстояния между плоскостями проходных отверстийв крайних и центральных электродах,диаметр отверстия в центральномэлектроде и диаметр цилиндрическойповерхности, ограничивающей электроды, относятся как 2:3:4:5.: 12,В предложенном устройстве достигается повышение плотности тока замедленного пучка ионов и устранениеего потерь.Сущность предложенного решениязаключается в следующем. В реальныхзадачах получения ионных пучков высокой плотности и малой энергии прииспользовании наиболее эффективногои широко используемого принципа "ускорение"замедление" в технологических установках всегда реализуетсяследующая схема формирования пучка:формирование пучка высокой энергии(для получения высокой плотностиионного пучка) - различные операциис ним (сепарация по массам, например, или другие) - замедление. Такимобразом, ясно, что на входе системыэлектродов замедления при работе спучками высокой плотности (более1 шА/смз) мы всегда имеем расходящийся пучок, Т.е перед нами стоитзадача замедления расходящегося пучка. В этом случае даже использованиеэлектродов замедления оптимальнойгеометрии приводит к большим потерямпучка ионов, .Этого можно избежать,если на вход системы замедления подавать сходящийся пучок с углом схо"димости, который бы обеспечивал формирование в промежутке замедлениянерасходящегося пучка,. что устранитпотери ионного:.пучка. Величину требуемого угла сходимости можно определить несколькими способами: электродинамическим расчетом, иСходя изгеометрии электродов замедления,экспериментально, а также используясимметрию электродов ускорения и замедления и известные расчеты для пушек Пирса. 108943 6 статические линзы,. Однако использо.вание конструкций линз, известныхиз литературы, не дало возможностиполучить требуемую сходимость для первоначально расходящихся пучков с плотностью тока до 5 шА/см, Поэтому нами экспериментально с учетом объемного заряда была найдена форма электродов одиночной электростатической линзы, которая позволяет фор" мировать из расходящегося пучка ионов с энергиями 15-25 кэ 8 и углами расходимости 3-6 и плотностью тока до 5.вА/смз сходящийся пучок с требуемыми углами сходимости. Использование линзы выбранной конструкции, помещенной между ускоряющими и замедляющими электродами, обеспечило вы" полнение поставленной цели - повышение плотности тока замедленного пучка ионов и устранение его потерь.На фиг. 1 представлена схема пред" лагаемого устройства; на фиг.2- конструкция 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 10 15 25 30 35 показывает дрейфовое пространствопучка. Для измерения ионного тока использован. коллектор 6. На Фиг.1 показан также ионный пу 40 чок 7. Для обеспечения требуемой сходимости можно использовать электроЭлектроды замедления 2, 3 имеютФорму, близкую к конусообразной (для41", цилиндрических пучков) с углом приовершинах 130 , отверстиями посредине ф 1 О мм, толщиной стенок 0,5 мм идиаметром 80 мм, Изготовлены они изстали 12 Х 1 е Н 16 Т, Расстояние междущ ними по оси сеставляет 5 мм, в качестве линзы применяли одиночнуюэлектростатическую линзу специальной.конструкции (фиг, 3, 4). Электродылинзы изготевлены из стали 12 х 1810 Т,% Края электродов закруглены, радиусызакругления й = 10, К =. 3 мм. Электроды ускорения в данном примере полностье идентичны электродам системызамедления 2, 3, 1108913Крайние электроды 8 электростати" ческой 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 г 67,5 и 30 соответственно, диаметр отверстия электродов д равен 30 мм, Центральный электрод 9 может быть представлен кактело вращения, представляющее в осевом сечении равнобедренный треугольник й, боковые стороны которого образуют с осью углыравные 10 Основание треугольника с, параллельное оси линзы, совмещено с верхним основанием равнобедренной трапеции Ь, боковые стороны которой составляют с осью угол г, равный 70 . Диаметр отверстия йг равен 50 мм, высота треугольника 20 мм, а высота трапеции 15 мм, Расстояние между плоскостями проходных отверстий электро" дов 1 равно 10 мм, диаметр цилиндрической поверхности В = 120 ммРассмотрим работу устройства Пучок ионов с энергией 15-25 кэВ, получаемый с помощью интенсивного ис" точника ионов 1 (Фиг,. 1) после вытягивания, Формирования и проводки поступает на вход линзы 4. В силу того, что плотность тока пучка составляет 5-10 щА/смг, на вход линзы будет поступать расходящийся пучок. С помощью линзы осуществляется Фокусировка таким образом, что на ее вы"ходе получает сходящийся пучок ионов.Напряжения на линзе экспериментальноподбираем таким образом, чтобы уголсходимости пучка на ее выходе былравен рассчитанному. Например, приэнергии пучка 20 кэВ, плотности тока5 вА/смг для обеспечения М =3 нацентральный электрод линзы необходимо подать потенциал 11 кВ. При замедлении в пространстве между электродами 2, 3 (Фиг.2), в этом случае пучок формируется в параллельный, 1Последнее 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 Бр, определяющим начальную энергию пучка, а второй элек 45 Ер М Ьо 4д(2) для ленточного пучка и ок4 й 50для цилиндрического пучка,где Ь - полутолщина ленточного пучка;К - ралиус цилиндрическогопучка;Й - расстояние между электродами.Необходимо отметить, что ускоряющей частью не обязательно должна быть трод 3 под потенциалом Из, определяющим конечную энергию частиц, Т.е.на выходе из отверстия второго электрода пучок заряженных частиц имеетэнергию, определяемую потенциаломБ. Величина Ио в такой конструкциивыбирается равной потенциалу второгоэлектрода ускоряющей пушки Пирса (внашем случае Бд -- О)Решение для формы электродов 2 и 3,применяемых в рассматриваемом устройстве, в точном виде существуетдля ленточного пучка бесконечной ширины, Для наиболее часто применяемого цилиндрического пучка такоерешение является приближенным, Степень приближения может быть высокой,или форма электродов может быть по 20 добрана 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) вмежэлектродном пространстве параллельного, нерасходящегося под действием пространственного заряда пучка. При этом предельная плотностьтока в пучке определяется величинами межэлектродного расстояния й при"ложенного напряжения и массы частицМ известным соотношением35 . -8 0.Я Д 2где 0 - в вольтах,О в см40 ,М - В атомных единицах массы.При этом угол расходимостиМ, пучка после его выхода из пушки Пирсаопределяется соотношениемпушка 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 вре" мя 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 ре" жиме, когда плотность тока на входев систему замедления меньше предельной, возможно управлять размерамипучка на выходе системы путем изменения потенциала на линзе и, такимобразом, сходимости пучка. Обеспечивается плотность тока ионного пучка 2000 вкА/см 2.Предлагаемое устройство для получения интенсивных ионных пучков низкой энергии при сохранении положи"тельных качеств известных решенийобеспецивает получение значительнобольших плотностей токов, практицес"ки полностью устраняя потери тока наэлектродах замедляющей системы и приэтом:обеспечивая возможность управления диаметром пучка на выходе сис О темы замедления. Это позволяет значительно повысить скорость роста пле"ноцных кристаллов (в 10-100 раз) прииспользовании устройства в технологи"ческих.целях, значительно повысить 25 его эффективность (устранив непроизводительные потери тока) и управлятьплощадью растущей пленки., Петраш Тираж ударственного комитета по113035, Москва, Ж е т "Патент", г,венно-издательский комб Произв Рерактор ювевю фф Заказ 1 ОЭ ВНИИПИ Го иппова Техреду М,М тая Карре Подпи зобретениям и от Раушская наб, рытиям при ГКНТ ССС МБ Ороду ула Гагарина10