Разработка, создание и исследование ионного источника.

Дроздецкий А.А., Шошин А.А. 1996г.
Научный Руководитель: А.С. Золкин
(Работа 1)

Следующие материалы написаны по курсовым работам, выполнявшимся на Физическом Факультете НГУ в Лаборатории Физического Эксперимента под руководством кандидата физико-математических наук, доцента кафедры общей физики Золкина Александра Степановича. Данные материалы представляют собой расширенные тезисы. Все представленные здесь работы являются продолжением друг друга и общую тему можно было бы сформулировать так: Напыление тонких углеводородных пленок ионно-лучевым методом.

Аннотация

Разработан и создан источник низкоэнергетичных ионов (до 100эВ) с разбросом по энергиям около 8эВ (FWHM). Данный источник может быть также использован в качестве электронной пушки. Плотность тока ионов 0,05мА/см², плотность тока электронов - до 0,22А/см². Рабочее давление около 8*10^-3torr. В качестве рабочего газа использовался атмосферный воздух. Источник предполагается использовать для синтеза тонких пленок.

Введение

Исследование относится к выращиванию тонких пленок с помощью ионно-лучевых технологий, неотъемлемой частью которого является физика ионных пучков. Технология осаждения из ионных пучков привлекает к себе внимание, во-первых, возможностью контролировать с большой точностью условия осаждения вещества, во-вторых, исключительными свойствами получаемых пленок (например, высокая плотность покрытия, равномерность покрытия, уникальные электрофизические свойства). Т.о. нас интересует как механизм формирования ионного пучка в зависимости от конкретных условий, так и влияние параметров ионного пучка на синтез материалов.

Интересной задачей является получение относительно высоких плотностей тока в пучке при таких низких энергиях, в этом случае ограничение на плотность тока обусловлена кулоновским взаимодействием частиц, значительным пространственным зарядом пучка. Есть два довольно очевидных способа решения этой проблемы: использование компенсации пространственного заряда ионов электронами и использование фокусировки пучка в магнитном поле (влияние второго способа будет также отмечено в третьей работе). Кроме того существуют задачи связанные с получением узкой функции распределения ионов по энергиям, влияние магнитного поля на этот параметр пучка и т.д.

Некоторые из этих проблем рассматривались в работе [1]. Так же, в работе [2] было исследовано влияние геометрии на параметры источника типа Кауфмана с осцилляцией электронов с двухсеточной управляющей системой. Что касается источника, разработанного нами в данной работе, необходимо отметить, что основным литературным источником, "отправной точкой" послужила работа [3], в которой наряду с характеристиками пучка уделено также внимание времени жизни вольфрамового катода в разных газовых средах. Источник разработан на основе применения несамостоятельного разряда, использование несамостоятельного разряда обусловлено необходимостью получить низкую энергию ионов. Кроме того большая разность потенциалов между анодом и катодом определяет большую ширину функции распределения, а использование W-го катода позволяет подключить так называемый механизм Hot-fillament также применяемый при напылении тонких углеводородных пленок.

Важно минимизировать разброс в пучке по энергиям, т.к. это позволит контролировать энергию осаждаемых частиц, это необходимо при исследовании зависимости свойств растущей пленки от энергии, кроме того, известно, что росту той или иной фазы углеводородных пленок соответствуют довольно узкие интервалы по энергии осаждаемых ионов.

Одним из важных последствий использования магнитного поля в области ионизации газовой смеси (анодная полость) является увеличение длины траектории электронов, что естественно ведет к увеличению вероятности ионизации (это важно при использовании малой разности потенциалов между анодом и катодом и малым рабочим давлением (~10^-2-10^-3 torr)).
Для получения характеристик пучка использовался зондовый метод (цилиндр Фарадея), метод задерживающих потенциалов.

Т.о. целью первой курсовой работы ставилось создание источника ионов с управляемыми характеристиками, с энергией ионов 20-70эВ и возможно узким распределением ионов в пучке по энергиям.

Теория

Было сделано несколько простых оценок для тока эмиссии с катода (формула Ричардсона), величины ларморовского радиуса для ионов и электронов. Также опираясь на результаты [4], получена оценка для увеличения радиуса пучка при учете его пространственного заряда, которая показала, что для тока в 1мА и ускоряющего потенциала 70эВ радиус пучка увеличивается вдвое уже на расстоянии 2,5см. Это существенно, если мы хотим получить максимальную плотность тока в пучке.

Эксперимент.

Схема источника ионов представлена на рис.1, где: 1 - катод, 2 - изоляторы (крепление катода), 3 - крышка с выходным отверстием, 4 - стягивающие стержни, 5 - анод, 6 - канал подачи газовой смеси, 7 - "смеситель", 8 - изолятор, 9 - магнитная система. В эксперименте на двух координатной системе (расстояние м/у источником ионов и зондом и угол м/у их центральными осями) перед источником располагался зонд, схема которого представлена на рис.2, где: 1 - входное отверстие, 2 - керамические вставки (изоляторы), 3 - цилиндр Фарадея, на зонд (потенциал 4), промежуточные кольца (потенциалы 5 и 6), на собирающий электрод (потенциал 7) в зависимости от снимаемой характеристики (распределение по энергии, плотность тока на данном расстоянии, при данном угле) подавались соответствующие потенциалы.

Рис.1 Схема источника ионов.

 

Hис.2 Схема зонда.

Также изменяемым параметром являлось положение магнита и ток с катода.

Результаты и обсуждение

Основной результат - локализацией с помощью магнитной системы зоны эффективного ионообразования и использованием малых потенциалов удалось получить узкую функцию распределения ионов в пучке по энергиям с шириной на полувысоте ~5-10эВ. Максимум распределения на несколько эВ ниже потенциала анода. (рис.3)

Рис.3 Распределение по энергии

 

рис.4 Зависимость плотности тока от расстояния до источника.

рис.5 Зависимость плотности тока от угла между осями источника и зондом.

На рисунках 4 и 5 приведены характеристики характеризующие пространственное распределение ионов в пучке. Обращает внимание узкая функция распределения по углу, что может быть объяснено использованием магнитного поля при формировании пучка и наличие электронной компоненты в пучке с термокатода, как "компенсатора" пространственного заряда. При этом плотность тока на расстоянии 2см плотность тока достигает 250мкА/см² (характеристики приведены для расстояния 5 и 10см соответственно).

Также исследовалась зависимость плотности тока от величины давления в камере, которая показала, что оптимальное рабочее давление должно превышать (5-6)*10^-3torr, меньшего давления, по-видимому, не хватает для поддержания стабильного разряда.

Кроме того, замечено, что в отсутствие магнита разряд нестабилен также.

Выводы

Создан источник ионов с энергией заряженных частиц 20-70эВ, шириной распределения 5-10эВ, с плотностью тока до 250мкА/см². Исследованы его основные характеристики.