ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 4, с. 131-135
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 537.534.7
ЭКСТРАКЦИЯ ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА И ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ
© 2007 г. A. Pyszniak*, A. Drozdziel*, М. Turek *, A. Latuszynski*, D. Majczka**, J. Sielanko***, Ю. A. Ваганов, Ю. В. Юшкевич
Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 *Instytut Fizyki UMCS, Lublin, Polska **Instytut Energii Atomowej, Warszawa, Polska ***Instytut Informatyki UMCS, Lublin, Polska Поступила в редакцию 14.12.2006 г.
Проведено измерение тока ионов, извлекаемых из плазменного источника, в зависимости от экстракционного напряжения Ue. Сравнение полученных характеристик с теоретическими предсказаниями показали, что согласие экспериментальных данных с теорией Чайлда-Ленгмюра существует только в определенном пределе Ue. Результаты проведенных измерений, а также компьютерная симуляция формы ионного пучка дали возможность оценить параметры поверхности, эмитирующей ионы, и среднюю энергию ионов в плазме исследуемого источника.
PACS: 29.25.Ni
ВВЕДЕНИЕ
В течение нескольких десятилетий ионные пучки находят широкое применение, в частности, их используют для имплантации ионов с целью модификации поверхности твердых тел, в процессах литографии, в установках типа ТОКАМАК, для анализа элементов методами RBS и Р1ХЕ, а также в ионных двигателях для космических целей.
В большинстве экспериментов с использованием ионных пучков ключевыми вопросами являются экстракция ионов и формирование пучков с определенными характеристиками. Эффективное решение этого вопроса зависит как от параметров экстракционного пространства, так и от характеристик ионного источника. Среди первых надо выделить расходимость ионного пучка в экстракционном пространстве, геометрию оптической системы и объемный заряд пучка, особенно, если плотность ионного тока больше нескольких миллиампер на квадратный сантиметр. При формировании таких интенсивных пучков наблюдается ряд специфических явлений, таких, как ограничение ионного тока, заметная деформация пучка, обусловленная кулоновским рассеянием, а также изменение электрического поля в ионно-оптической системе.
На характеристики ионного пучка влияют также факторы, связанные с ионным источником, среди которых можно выделить его геометрические параметры, плотность и температуру плазмы, характеристики ионизируемых атомов. Однако самыми важными среди вышеперечислен-
ных факторов являются параметры оптической системы и, прежде всего, напряжение, ускоряющее ионы. Точное знание этих факторов дает возможность получения ионных пучков с заданными и хорошо определенными параметрами.
В данной работе приведены результаты измерений ионных токов из плазменного источника ионов в функции ускоряющего напряжения. На основе этих измерений, а также с использованием компьютерной симуляции геометрии пучка оценивается влияние объемного заряда на расходимость ионного пучка. Полученные результаты позволили определить температуру ионов в плазме, а также размеры и форму мениска плазмы, из которого происходит эмиссия ионов. Измерения проводились для ионов Аг, извлекаемых из ионного источника типа Сидениус [1].
ЭКСТРАКЦИЯ ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЫ ИОННОГО ИСТОЧНИКА
Теоретически описать процессы экстракции ионов из источника очень сложно, прежде всего, из-за трудности анализа трехмерной структуры потенциала и траекторий движения заряженных частиц в пространстве экстракции ионов. Поэтому для прогнозирования эффектов в процессе экстракции ионов часто используют упрощенную модель идеальных плоских электродов, которая основана на следующих предположениях:
- первичная скорость ионов, извлекаемых из плазмы, равна нулю. Тогда скорость частицы V с
131
9*
зарядом д и массой т в любой точке ускоряющего пространства будет зависеть только от потенциала и в этой точке:
V = JlqUJm;
(1)
- влияние плотности электрического заряда на распределение электрического поля в области экстракции описывает уравнение Пуассона
V2 U = -р J £0
(2)
где £0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, р - объемный заряд пучка;
- в пространстве экстракции сохраняется плотность ионного тока j
j = pV = const. (3)
Из (1)-(3) получаем дифференциальное уравнение второго порядка, решение которого дает распределение потенциала в области экстракции при следующих граничных условиях:
U(x )| x = 0 = 0; U (x )| x =, = Ue; dU
dx
= 0,
(4)
x = 0
где I - расстояние между ионным источником и экстракционным электродом. Решение имеет вид
.1/2
U(x) = Ш(2q) x
4/3
(5)
j
= 4p (2q£\m4L
U
-3/2
m
Г
(6)
Умножая обе части уравнения (6) на (фрагмент площади экстракционного электрода, на которую падают ионы), получаем величину ионного тока
г = 4 е (22ql 1/2 ^ U3/2
1 9( m ' -2Ue ■
Г
(7)
1+ = PU3J2,
(8)
Следует подчеркнуть, что приведенная здесь одномерная модель удобна только для выявления основных зависимостей и качественного объяснения физических эффектов, связанных с экстракцией ионов. Возможность количественного прогнозирования эффектов ограничена, так как в этой модели не учитывается ряд параметров ионного источника, а именно, толщина биполярного слоя в плазме, температуры ионов и электронов, потенциал плазмы, отношение давлений между разрядной камерой и экстракционной областью ри1ре. Не учитывается также неоднородность ионного пучка, связанная с присутствием в нем ионов разных масс и разной кратности ионизации. Игнорируются такие геометрические параметры ионного источника, как диаметр экстракционного отверстия источника с1и, размер отверстия в экстракционном электроде их длины ¡и и 1е.
Из вышесказанного следует, что коэффициент Р является функцией
P = P
1И
*и "И
d и Uп
m
Г Г i; 1и' de Ueml, 2,..., П f2-
Ри
' Pe
,(9)
Из формулы (5) можно определить плотность ионного тока
Это выражение называется уравнением Чайлда-Ленгмюра [2]. Оно часто записывается в более удобном виде
где Р - постоянная пространственного заряда (величина эквивалентного первеанса).
Из формул (7) и (8) видно, что интенсивность ионного тока ограничена объемным зарядом и зависит только от величины экстракционного напряжения и геометрических параметров ионно-оптической системы.
где ип/ие - отношение потенциалов плазмы и экстракционного электрода, т/т1, 2, ..., „ - отношение массы ионов с наибольшим содержанием к массам других ионов в ионном пучке; /+//+2. +„ - отношение токов однозарядных и многозарядных ионов.
ЭКСПЕРИМЕНТ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Схема эксперимента показана на рис. 1. Использовался плазменный источник типа Сидени-ус в варианте, разработанном в Институте физики УМКС, Люблин [3, 4]. Этот источник позволяет получать ионы различных элементов в количестве, необходимом для целей имплантации. Диаметр экстракционного отверстия в источнике -0.8 мм, диаметр отверстия экстракционного электрода - 10 мм. Расстояние I между источником и электродом изменялось в пределах 9-27 мм (рис. 2), но представленные ниже измерения относятся только к I = 27 мм. Рабочий газ - Лг, его натека-ние во время эксперимента постоянно. Типичные характеристики ионного источника при разных напряжениях дугового разряда в источнике показаны на рис. 3. Видно, что по форме все кривые I+ = /(ие) похожи, поэтому для дальнейшего рассуждения нами выбрана верхняя кривая, для которой напряжение разряда в камере ионного источника равно 31 В и ток разряда равен 1.2 А. В более удобном виде эта кривая показана на рис. 4 в системе координат 1+ и и^2. В такой системе координат
теоретическая зависимость 1+ = /(и3е12) является прямой, тангенс угла наклона которой есть Р.
ЭКСТРАКЦИЯ ИОНОВ ИЗ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА И
Рис. 1. Экспериментальная схема системы экстракции ионов из источника. И - ионный источник, Э - экстракционный электрод, Ф - цилиндр Фарадея.
Из рис. 4 видно, что экспериментальную кривую можно аппроксимировать прямой только в определенном пределе значений экстракционного напряжения. Это значит, что только в этом интервале напряжений экспериментальная зависимость согласуется с хорошей точностью с теоретической моделью.
На графике рис. 4 можно выделить три области экстракционного напряжения: в области I по-
стоянная P зависит от напряжения экстракции; в области II коэффициент P почти постоянен и равен 4 • 1011 А/В3/2, т.е. видно согласие с упрощенной моделью; в области III ионный ток выходит на насыщение.
Чтобы проследить изменения коэффициента P в функции экстракционного напряжения Ue, кривая из рис. 4 была продифференцирована. Результат этой операции показан на рис. 5.
Рис. 2. Параметры области экстракции: И - толщина экстракционного отверстия источника, I - расстояние между источником и экстракционным электродом, 1е - толщина экстракционного электрода, dи - диаметр экстракционного отверстия в источнике, de -диаметр отверстия в экстракционном электроде.
IмкА 200 г
150
100
50
31 B
29 B
27 B
_________
...............
*********
0.5 ■ 104 1.0 ■ 104 1.5 ■ 104 2.0 ■ 104
и, в
Рис. 3. Зависимость ионного тока 1+ от экстракционного напряжения ие для разных напряжений иа дугового разряда в камере источника (значения у кривых).
I+, мкА 200
150
100
50
У У У
■ ■ ■
I II у III
* / * У У s
X у<
/ Ua = 31 В
у 1 1 1 la = 1.2 A i i
2.5 ■ 106
„3/2, B3/2
0 0.5 ■ 106 1.5 ■ 106
Рис. 4. Ионный ток 1+, извлекаемый из источника как
3/2
функция ие .
S, мм2 18
16
14
12
10
8
6
4
2
0.5 ■ 104 1.0 ■ 104 1.5 ■ 104
Ue, B
P, А/В3/2 2.0 ■ 10-10
1.5 ■ 10-10 1.0 ■ 10-10 5.0 ■ 10-11 0
Рис. 5. Зависимость поверхности Б, эмитирующей ионы, и постоянной объемного заряда Р от ускоряющего напряжения ие.
0
Как известно, в модели плоских электродов для определенного расстояния между электродами I, определенной массы иона и кратности его заряда коэффициент Р зависит только от величины поверхности Б. Эта поверхность является фрагментом экстракционного электрода, на которую попадает пучок. Для ионно-оптической системы плоских электродов эта площадь равнозначна площади мениска плазмы, из которого эмитируются ионы. Учитывая вышесказанное, можно принять, что нашей реальной, экспериме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.