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. 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.