Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА КЛАСТЕРНЫХ ИЛИ АТОМАРНЫХ ИОНОВ ГАЗА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности, к источникам ионов, и может быть использовано для получения стабильного направленного потока ускоренных кластерных или атомарных ионов. Изобретение может найти применение для решения практических задач оптики, микро- и наноэлектроники, при исследовании поверхности с использованием вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). В частности, устройство может быть использовано для обработки и модифицирования поверхности твердых материалов, включая травление, бездефектную очистку, сглаживание неровностей поверхности без тенденции к более глубокому повреждению приповерхностного слоя, сверхточную полировку поверхностного слоя деталей, для ионной имплантации примеси в полупроводники на сверхмалые глубины, формирования тонких пленок на поверхности изделий, в качестве источника анализирующего пучка кластерных ионов при осуществлении вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) органических соединений и биологических материалов. Изобретение также может найти применение в медицине для повышения биосовместимости различного рода медицинских имплантов.

Уровень техники

Ионные пучки находят свое применение в микро- и наноэлектронике как средство обработки и модификации поверхности, а также для диагностики состава и структуры материалов. В связи с минитюаризацией электронных компонент и развитием микро-наноинженерии остро стоит задача по разработке новых методов и подходов для работы с такими объектами. Особенности взаимодействия кластерных ионов с поверхностью твердого тела позволяют эффективно применять кластерные пучки для сглаживания рельефа поверхности различных материалов, имплантации на сверхмалые глубины (в том числе высоких доз), а также в качестве высокоточного средства диагностики поверхности и структуры материалов. При этом использование атомарных ионов позволяет комбинировать классические ионно-пучковые методики с кластерными технологиями, а также создавать одноатомные структуры в рамках единого технологического цикла. В связи с этим для высокоточной полировки поверхностей, имплантации на сверхмалые глубины, для улучшения качества тонких пленок, получаемых осаждением, необходимо получение пучков кластерных ионов газа до 10 мкА/см² со средним размером 800-1200 атомов в кластере или атомарных ионов газа с 1 пА/см²-6 мкА/см² с использованием различных рабочих газов.

Из уровня техники известна конструкция высокочастотного (ВЧ) источника электронов для ионизирующих газовых кластеров (US20090166555A1), способного генерировать газовые пучки кластерных ионов с очень низким содержанием металлических примесей благодаря использованию для создания плазмы вместо нити накала радиочастотных или микроволновых электромагнитных волн. Этот электромагнитный источник электронов с индуктивной связью содержит плазменную камеру, которая состоит из боковых стенок, диэлектрической пластины и апертурной пластины. Однако данное устройство не позволяет получать пучки атомарных ионов газа, необходимые для решения большого ряда прикладных задач. Кроме того, данное устройство основано на использовании плазмы, в которой происходит ионизация рабочего газа с получением на выходе пучка кластерных ионов, при этом для предотвращения повреждающего действия плазмы на поверхность деталей в устройстве электромагнитный источник и апертурная пластина выполнены с покрытием боковых стенок специальными неметаллическими материалами: карбидом кремния или графитом, что вызывает определенные технологические сложности, а также нарушает чистоту получаемых ионов. В области ионизации протяженные внешние стенки, отражающие электроны, будут распыляться ионами, загрязняя продуктами распыления пучок, а также повышая давление остаточных газов.

Из уровня техники известен ионизатор для формирования газово-кластерного ионного пучка (US20060097185A1), включающий линейные термоэлектронные нити, расположенные, по существу, параллельно оси газовой струи. Данное устройство характеризуется конструктивной сложностью и низкой надежностью, а также низкой эффективностью ионизации кластерных и атомарных ионов. Перечисленные недостатки известного устройства связаны с использованием большого количества термоэлектронных нитей, которые являются менее надежными и имеют меньшую эффективную зону выхода термоэлектронов по сравнению с термоэлектронными пластинами, что снижает эмиссию электронов и, соответственно, вероятность ионизации атомов рабочего газа.

Из уровня техники известен ионизатор для формирования пучка кластерных ионов газа (US6629508B2), включающий источник электронов и ионизирующую область цилиндрической формы, практически свободную от магнитных полей. В одном варианте осуществления изобретения пучок представляет собой газовый кластерный пучок, а источник электронов выполнен в виде нити накаливания сложной формы, позволяющей компенсировать магнитного поле, возникающее в области ионизации из-за тока нагрева нити при работе источника электронов. В другом варианте осуществления изобретения в устройстве для ионизации цилиндрическая ионизирующая область включает пару софокусных цилиндрических электродов, расположенных с возможностью перемещения испускаемых электронов по спирали вокруг оси луча. Однако данное устройство является сложным в исполнении и характеризуется низким сроком службы в связи с использованием в конструкции нитей накаливания, которые обладают низкой устойчивостью к воздействию ионной и электронной бомбардировки. Кроме того, при использовании нитей накаливания эмиссия электронов происходит в относительно малом объеме, что снижает эффективность получаемого пучка атомарных или кластерных ионов.

Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является устройство для ионизации кластерных ионов (RU2728513C1), которое включает корпус, выполненный в виде отражателя электронов, анод, катод. Анод и катод закреплены на керамическом основании. Анод выполнен в виде полого цилиндра, на радиально противоположных стенках которого по всей его высоте вырезаны части поверхностей под углом 30°-90°, которые закрыты металлической сеткой. Отражатель электронов расположен вокруг катода и анода и закреплен на керамическом основании соосно с анодом. Катод расположен между анодом и отражателем электронов на расстоянии от анода не менее 1,1 внешнего радиуса анода. Отражатель электронов имеет потенциал не менее -600 В относительно катода. Однако данное устройство характеризуется относительно низким сечением вакуумной откачки, что снижает срок службы устройства из-за повышенных тепловых нагрузок на узел ионизации, и тем самым приводит к неконтролируемому изменению размера кластерных ионов и низкому току на выходе ионизатора.

Кроме того, все вышеперечисленные устройства предназначены для работы с благородными газами, преимущественно гелием, неоном, аргоном, ксеноном. При этом существует необходимость использования химически активных газов, таких как диборан, декаборан, аммиак, хлориды, и др., для решения задач микроэлектроники (включая повышение качества обработки поверхности, высокодозное легирование приповерхностных слоев при создании новых электронных компонент), которые оказывают негативное воздействие на конструктивные элементы устройства при формировании пучка кластерных или атомарных ионов газа и ухудшают эксплуатационные параметры устройства.

Таким образом, технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является устранение перечисленных выше недостатков, и разработка устройства для формирования пучка кластерных или атомарных ионов газа с улучшенными эксплуатационными характеристиками, простого при производстве и использовании.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом изобретения является разработка устройства с возможностью использования химически активных газов (включая диборан, декаборан, аммиак, хлоридов) для получения ускоренных кластерных или атомарных ионов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, включая: рабочую температуру катода (650 – 900°С), при которой происходит эмиссия электронов; срок службы катода до 800 часов при работе с химически активными газами; эффективность ионизации ионов, характеризующаяся плотностью ионного тока для пучка атомарных ионов 1 пА/см²-6 мкА/см² и до 10 мкА/см² кластерных ионов, со средним размером 800-1200 атомов; получение стабильного направленного пучка атомарных или кластерных ионов. При этом конструкция устройства является надежной, простой в изготовлении и эксплуатации.

Технический результат достигается устройством для получения кластерных и атомарных ионов, содержащим корпус с выходным отверстием для пучка кластерных или атомарных ионов; расположенные в корпусе анод и катод, закрепленные на керамических изоляторах; электромагнит, установленный между корпусом и анодом, выполненный с возможностью формирования магнитного поля с индукцией не менее 5 мТл;

при этом катод выполнен из металлосплавного материала с температурой эмиссии не более 900°С; корпус выполнен с отверстиями для вакуумной откачки и снабжен колпаком, выполняющим функцию электрода, где внутренняя поверхность корпуса и колпака в области ионизации выполнены с покрытием из аморфного оксида кремния толщиной до 100 нм, а часть поверхности колпака вокруг отверстия выполнена конусообразной.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения образующая конусообразной поверхности корпуса расположена под углом 65-70 градусов к оси пучка.

Корпус ионизатора является несущей конструкцией с площадью не менее 60 см² в зоне ионизации, закреплен на отдельном керамическом изоляторе, и снабжен по меньшей мере четырьмя отверстиями с суммарной площадью сечения вакуумной откачки не менее 25 см². Колпак корпуса может быть выполнен съемным.

Устройство снабжено вытягивающими электродами, внутренняя поверхность которых также может быть выполнена с покрытием из аморфного оксида кремния толщиной до 100 нм.

В одном из вариантов осуществления изобретения катод выполнен в форме цилиндра, анод выполнен в виде сектора цилиндрической сетки при этом катод, анод и корпус имеют соосное расположение, где оси пучка ионов, катода и анода лежат в одной плоскости.

В отдельных вариантах осуществления изобретения расстояние между катодом и анодом может варьироваться от 0,15 до 0,45 расстояния между анодом и ионооптической осью, а расстояние между корпусом и ионооптической осью составляет не менее 3 расстояний между анодом и ионооптической осью.

В области ионизации протяженные внешние стенки распыляются ионами, загрязняя продуктами распыления формируемый пучок ускоренных кластерных или атомарных ионов, а также повышая давление остаточных газов. Выполнение в стенках корпуса устройства отверстий площадью не менее 25 см² увеличивает сечение вакуумной откачки при выполнении минимального размера корпуса устройства площадью 60 см² в зоне ионизации, снижая, тем самым, давление остаточных газов внутри корпуса устройства. В результате катод приобретает большую устойчивость к воздействию ионной и электронной бомбардировки, что увеличивает срок службы катода и способствует более стабильному направленному пучку атомарных или кластерных ионов, повышению эффективности ионизации ионов, в т.ч. за счет уменьшения степени разрушения кластерных ионов, что влечет увеличение среднего размера кластерных ионов и плотности формируемого потока кластерных ионов.

Эффективность ионизации ионов повышается также и за счет снижения температуры узлов ионизатора, что достигается за счет уменьшения рабочей температуры катода, составляющей 650–900°С, и тока эмиссии I=60 мА при напряжении между катодом и анодом 300 В, откуда происходит эмиссия электронов. Разогрев поверхности металлических деталей в результате работы катода ведет к выделению газов, повышая давление остаточных газов. Предпочтительным в конструкции устройства является использование цилиндрических катодов с закрепленными на их поверхности со стороны, обращенной к аноду, пластинами, полученными прессованием композиции из порошка металла с примесью порошка интерметаллида от 1.5 до 7.0 масс. %. Например, такие пластины могут быть выполнены из PdBa сплава или PtBa сплава, характеризующихся зернистой, пористой структурой со значительно увеличенной площадью поверхности зерен. Использование таких катодов направлено на снижение работы выхода электронов, на увеличение эффективной зоны выхода термоэлектронов (по сравнению с нитями накаливания), на увеличение эмиссии электронов и, соответственно, вероятности ионизации атомов рабочего газа. При этом снижается риск перегорания катода и, соответственно, выхода из строя заявленного устройства. Данные типы катодов имеют большую устойчивость к ионной и электронной бомбардировке, в результате чего увеличивается срок службы устройства.

Эффективность ионизации повышается также за счет подбора взаимного расположения катода и анода. Установка катода соосно с анодом на расстояние от анода в пределах от 0,15 до 0,45 расстояния между анодом и ионооптической осью позволяет электронам взаимодействовать во всей области вблизи оптический оси устройства. Электроны эмитируются в сторону анода в ограниченный телесный угол. С уменьшением расстояния часть электронов не охватывает всю область, где происходит ионизация рабочего газа. С увеличением расстояния взаимодействие электронов с рабочим газом происходит в ограниченной области вблизи оптической оси.

Эффективность ионизации ионов повышается также и за счет использования в конструкции устройства металлических деталей, расположенных в зоне ионизации, с покрытием из аморфного оксида кремния толщиной до 100 нм. Таким покрытием снабжены, по меньшей мере две детали - корпус и колпак, при этом покрытие выполнено со стороны их внутренней поверхности. Дополнительно с покрытием могут быть выполнены вытягивающие электроды (со стороны внутренней поверхности), и в некоторых случаях – аноды. Использование деталей с покрытием из аморфного оксида кремния стало возможным в связи с использованием катодов с рабочей температурой не выше 900°С. Покрытие может быть выполнено осаждением из газовой фазы, например через проведение реакции SiHCl₃ → Si + Cl₂ + HCl. Данный вид покрытия существенно (не менее чем в 10 раз) уменьшает газовыделение из металлов в рабочей области, что уменьшает давление остаточных газов. Кроме того, устройство характеризуется антикоррозионными свойствами, позволяющими использовать в технологическом процессе химически активные газы при обеспечении высокого срока службы катода и устройства в целом.

Плотность потока кластерных частиц на выходе из корпуса ионизатора повышается за счет использования конусообразной поверхности корпуса, расположенной под углом к оси корпуса α=65÷70 градусов. Пространственный заряд пучка неизбежно приводит к расширению пучка по мере его распространения и, соответственно, к уменьшению плотности потока пучка ионов. Использование конусообразной формы приводит к появлению радиального электрического поля, которое компенсирует поле пространственного заряда пучка. Таким образом, указанная форма колпака корпуса, выполняющего функцию электрода, позволяет получить распределение потенциала, компенсирующее поле пространственного заряда на границе формируемого пучка.

Таким образом, улучшение эксплуатационных характеристик устройства и повышение эффективности ионизации атомарных и кластерных ионов при возможности использования для ионизации химически активных газов достигается за счет использования комплекса признаков, включающего: конструктивное решение корпуса устройства с колпаком, выполняющим функцию электрода и имеющим скошенные края вокруг выходного отверстия для пучка атомарных или кластерных ионов; соосное расположение корпуса, анода, катода; наличие магнита между корпусом и анодом, позволяющего увеличить длину свободного пробега электронов в области ионизации между анодами; наличие отверстий в корпусе устройства, позволяющих увеличить сечение вакуумной откачки; использование металлического катода с примесью порошка интерметаллида, а также деталей устройства, расположенных в области ионизации, с покрытием из аморфного оксида кремния толщиной до 100 нм.

Для управления процессом получения кластерных или атомарных ионов, а также контроля среднего размера кластерных ионов сопло для подачи рабочего газа снабжено датчиком давления.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - 3 представлено заявляемое устройство, вид спереди, продольный разрез, поперечный разрез, соответственно, на фиг. 4 представлена 3D модель устройства для получения кластерных или атомарных ионов. Позициями на чертежах обозначены: 1 – основание, 2, 9 – стойки, 3 – изолятор, 4 – корпус, 5 – колпак корпуса, 6 – первый вытягивающий электрод, 7 – второй вытягивающий электрод, 8 – третий вытягивающий электрод, 10, 12 – аноды, 11, 13 – катоды (два диаметрально расположенных катода относительно оси анода), 14 – магнит, 15 – сопло для подачи газа с датчиком давления, 16 – отверстия в корпусе.

Осуществление изобретения

Устройство выполнено в виде цельного изделия (см. фиг.1 – 4), установленного на основании 1. Устройство включает керамические высоковольтные изоляторы 3, корпус 4, установленную в корпусе систему из двух катодов 11, 13, двух анодов 10, 12 и магнита 14. Корпус 4 расположен вокруг катодов 11, 13 и анодов 10, 12, имеет преимущественно цилиндрическую форму, снабжен колпаком 5, и закреплен на основании 1 на керамических изоляторах 3. Устройство также содержит вытягивающие электроды, 6, 7, 8, при этом электроды 6 и 8 удерживаются стойками 2 и 9, закрепленными на основании 1. Электрод 7 установлен на электрод 6 с помощью керамических изоляторов 3.

Катоды в одном из вариантов осуществления изобретения могут быть выполнены из палладий-бариевого сплава с температурой эмиссии электронов Т=900°С и током эмиссии I=60 мА, и расположены в корпусе с возможностью эмиссии электронов в направлении анодов. Катод представляет собой тонкую металлическую пластину с интерметаллидами, закреплённую на цилиндрической трубке, к которой подведены контакты пластины. Катод расположен соосно с анодом, при этом расстояние между катодом и анодом варьируется от 0,15 до 0,45 расстояния между анодом и ионооптической осью. Минимальное расстояние между катодом и анодом может составлять 4 мм, максимальное – до 10 мм. Катод и анод размещены с расположением их осей в одной плоскости с ионооптической осью. Аноды выполнены в виде металлической сетки в форме сектора цилиндра. Электромагнит обмотан вокруг рабочей зоны ионизатора и закреплен на корпусе.

Система из катодов 11, 13 и анодов 10, 12, находящаяся в магнитном поле магнита 14 (фиг.3), осуществляет ионизацию кластеров, которые оказываются в области ионизации. Размер отверстия, находящегося между анодами 10, 12, а также расстояние между ними, и количество катодов с анодами может варьироваться в зависимости от необходимого тока кластерных ионов и диаметра пучка. Расстояние между катодом и анодом варьируется от 0,15 до 0,45 расстояния между анодом и ионооптической осью, а расстояние между корпусом и ионооптической осью составляет не менее 3 расстояний между анодом и ионооптической осью для получения кластерного пучка 1-10 мкА/см² со средним размером кластера N=500-1200. Например, для получения кластерного пучка с током 10 мкА/см² и со средним размером кластера N=800-1200 размер отверстия составляет 10 мм, а расстояние между катодом и анодом - 0,3 расстояния между анодом и ионооптической осью. Вся эта система в корпусе 4 закреплена на керамическом изоляторе.

Колпак 5 корпуса 4 имеет в центральной части выходное отверстие, ось которого совпадает с оптической осью устройства, обеспечивающее выход сформированного в корпусе пучка кластерных или атомарных ионов газа. Часть поверхности колпака корпуса, прилегающая к отверстию, выполнена конусообразной. Образующая конусообразной поверхности корпуса расположена под углом к оси корпуса α=65÷70 градусов. Диаметр выходного отверстия может составлять не менее 3 мм. В процессе ионизации пространственный заряд пучка неизбежно приводит к расширению пучка по мере его распространения и, соответственно, к уменьшению плотности потока пучка ионов. Форма корпуса ионизатора приводит к появлению радиального электрического поля, которое компенсируется полем пространственного заряда пучка. Таким образом, указанная форма колпака корпуса, выполняющего функцию электрода, позволяет получить распределение потенциала, компенсирующее поле пространственного заряда на границе формируемого пучка. Колпак корпуса выполнен съемным для обеспечения возможности замены расположенных в корпусе катодов.

Вытягивающие электроды 6, 7 и 8 выполнены в виде металлических цилиндров.

Подача газа в ионизатор осуществляется через сопло 15, которое совмещено с датчиком давления (на чертеже не показан). Изменением давления подаваемого газа можно варьировать размер кластеров вплоть до атомарных ионов.

Пучок атомарных ионов может быть получен при давлении рабочего газа в диапазоне от 10^-5 атм до 2 атм. Область применения атомарных ионов – ионная имплантация и модификация рельефа поверхности, например, создание поверхностных наноструктур. Пучок газовых кластерных ионов может быть получен при давлении рабочего газа (Ar, Xe, Kr, Ne) в диапазоне от 2 атм до 5.5 атм.

С палладий-бариевого (PdBa) цилиндрического катода с помощью низкотемпературной термоэлектронной эмиссии эмитируются электроны, которые ускоряются в направлении сетчатого анода. Эмитированные электроны электронным ударом ионизируют атомы либо кластеры рабочего газа. Для увеличения длины свободного пробега электронов и, соответственно, вероятности взаимодействия с кластерами, в устройстве установлен электромагнит 14 между корпусом 4 и катодами 11, 13, позволяющий получать магнитное поле с индукцией не менее 5 мТл.

Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, им сообщается циклоидальное движение по спирали по замкнутым траекториям в зазоре между магнитными полюсами магнита, анодом и катодом.

где r — радиус движения электрона в поле, — масса электрона, — скорость, перпендикулярная линии магнитного поля, — заряд частицы, — магнитная индукция.

Электроны удерживаются, с одной стороны, магнитным полем, возвращающим ионы на катод, с другой – самим катодом, который, обладая отрицательным зарядом, отталкивает электроны. Электроны циркулируют в ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько столкновений с кластерами. При столкновении электронов с кластерами или атомами рабочего газа происходит их ионизация.

В заявленном устройстве в отличие от прототипа корпус устройства не используется как отражатель электронов. Экспериментально показано, что плотность ионного тока не зависит от величины потенциала, поданного на корпус устройства. При магнитном поле с индукцией 7 мТл ток пучка может изменяться в пределах 3 % в зависимости от поданного напряжения на корпус ионизатора (от 0 до -700 В).

Ионизированные кластеры вытягиваются через отверстие в колпаке корпуса 5 вдоль оптической оси в направлении электродов 6, 7, 8, которые выполняют функцию электростатической линзы, фокусирующей кластерный пучок на мишень.

Для снижения давления остаточных газов и, соответственно, увеличения сечения откачки, в корпусе предусмотрены не менее 4 отверстий 16, с суммарной площадью отверстий не менее 25 см², расположенных в проекции рабочей камеры устройства, в которой происходит ионизация ионов.

Длина свободного пробега частицы — это среднее расстояние, которое проходит частица за время между столкновениями с другими движущимися частицами.

, где – эффективное сечение молекулы, n – концентрация молекул.

Закон Менделеева-Клайперона , где – постоянная Больцмана, T – температура, p – давление в рабочей камере устройства.

, где – постоянная Больцмана, T – температура, p – давление в рабочей камере устройства.

Уменьшая давление остаточных газов, увеличивается длина свободного пробега кластерных ионов и, соответственно, уменьшается вероятность их разрушения.

При выполнении корпуса устройства без отверстий полученная плотность ионного тока для кластерного пучка составила 0,5 мкА/см². При наличии в корпусе ионизатора отверстий с площадью не менее 25 см² плотность ионного тока для кластерного пучка составила 6-10 мкА/см² со средним размером кластера N=800-1200. Плотность ионного тока для атомарного пучка составила 1 пА/см²-6 мкА/см² при наличии отверстий и, соответственно, 100 пА/см²-0,1 мкА/см² без них.

Для получения кластерного пучка 10 мкА/см² со средним размером кластера N=800-1200, в качестве рабочего газа использовался Ar, давление рабочего газа устанавливалось на уровне 5 атм. По достижении давления в камере ионизатора на уровне 2×10^-6 Торр включали катод. Рабочий ток катода, равный 3.5 А, устанавливается постепенно, по 0.5 через каждые 5 минут. Затем между катодом и анодом устанавливалась разность потенциалов 300 В. На оптической оси магнитное поле с индукцией не менее 10 мТл.

Изменение напряжения вытягивающих электродов позволяет фокусировать пучок, что дает возможность варьировать значение плотности ионного тока пучка. Типичное напряжение фокусировки пучка, как правило, устанавливают равным половине напряжения, используемого для ускорения ионов. При ускоряющем напряжении, равном 10 кВ, плотность ионного кластерного пучка составляет до 10 мкА/см².

Пример 1.

Изготовленные опытные образцы устройства имели следующие параметры: расстояние от сопла до области ионизации 42-53 мм, расстояние между анодами 16-18 мм, расстояние между катодом и анодом 6 мм, длина области ионизации (высота анода) – 40 мм, электромагнит, позволяющий подучать магнитное поле с индукцией 5-7 мТл по оптической оси, отверстие в колпаке корпуса для вытягивания ионов диаметром 10 мм, вытягивающие электроды представляли собой электростатические линзы с длиной электрода 40 мм и шириной 40 мм, расстояние между электродами составляло 5 мм, причем первый электрод был выполнен симметрично с колпаком корпуса для создания эквипотенциальной поверхности. В качестве катода была использована палладий-бариевая пластина толщиной 1 – 5 мкм.

Напряжение на катоде определялось током эмиссии, типом катода и принимало значения до 3.5 А. Напряжение между анодом и катодом составляло 300 В. Напряжение на электроде 2 составляло 0.8 от энергии пучка. Все остальные элементы находились под потенциалом земли.

В проведенных экспериментах был использован рабочий газ Ar в диапазоне давлений 3-5 атм. Энергия кластерных ионов варьировалась в диапазоне от 1 до 30 кэВ. При этом плотность ионного кластерного пучка составила до 10 мкА/см² при давлении 5 атм. и энергии 10 кэВ, средний размер кластерного иона составил 1200 атомов, диаметр пучка – 5 мм.

Рабочая температура катода составила 650°С. Стабильность пучка контролировалась с помощью осциллографа и времяпролетной методики.

Таким образом, плотность потока на выходе устройства в 6,2 раза была выше по сравнению с прототипом, в котором отсутствовал магнит, корпус был выполнен в виде отражающего электрода, без отверстий.

Пример 2.

Геометрические параметры устройства: расстояние от сопла до области ионизации 45-55 мм, расстояние между анодами 16-18 мм, расстояние между катодом и анодом 5 мм, длина области ионизации (высота анода) – 40 мм, магнитное поле с индукцией 6 мТл, отверстие для вытягивания ионов 10 мм. В устройстве использованы три электрода, представляющие из себя электростатическую линзу с параметрами длины электрода 40 мм и шириной 40 мм с расстояниями между ними 5 мм, причем первый электрод выполнен симметрично с колпаком корпуса для создания эквипотенциальной поверхности. Слой кремнийсодержащего покрытия был выполнен толщиной 80 нм. В качестве катода была использована палладий-бариевая пластина.

Напряжение на катоде определялось током эмиссии, типом катода и принимало значения до 3.7 А. Напряжение между анодом и катодом составляло 300 В. Напряжение на электроде 2 составляло значения 0.8 от энергии пучка. Все остальные элементы находились под потенциалом земли.

В качестве рабочего газа использовался декаборан в диапазоне давлений 3-5 атм. Энергия кластерных ионов варьировалась от 1 до 30 кэВ. При этом плотность ионного кластерного пучка составляла до 4 мкА/см² при давлении 3.5 атм. и энергии 10 кэВ, наиболее вероятный размер кластерного иона составил 1000 атомов. Диаметр пучка – 5 мм.

Рабочая температура катода составила 900°С.

Конструкция позволяет получать пучки борных кластеров (из химически активных газов). Стабильность пучка контролировалась с помощью осциллографа и времяпролетной методики.

Таким образом, данное устройство позволяет получать ускоренные кластерные или атомарные ионы (как химически активных газов, так и инертных), при этом увеличивается срок службы анода, уменьшаются токи, при которых происходит эмиссия, при этом получается стабильный направленный поток пучка ионов на выходе ионизатора.