ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 2, с. 105-109
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 53.082.77+537.525+537.565
ГЕНЕРАЦИЯ ИОННОГО ПУЧКА В ИСТОЧНИКЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
© 2009 г. Г. Г. Сихарулидзе
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН Россия, 142432, Черноголовка Московской области E-mail: sikharul@ipmt-hpm.ac.ru Поступила в редакцию 19.08.2008 г.
Рассмотрен механизм вытягивания ионов из используемого для элементного анализа твердых тел ионного источника тлеющего разряда на основе полого катода. В ходе экспериментов установлено, что из ионов, образованных в области отрицательного свечения тлеющего разряда, формируются два противоположно направленных ионных потока. Один поток, с энергией ионов >100 эВ, направлен к катоду и бомбардирует и распыляет анализируемый образец. Распыленные атомы диффундируют в область отрицательного свечения и ионизируются. Второй поток - низкоэнергетичные ионы - вытягивается из той же области отрицательного свечения и транспортируется из катода к поверхности камеры анода за счет амбиполярной диффузии. Эти ионы извлекаются из отверстия в анодной камере обычного ионного источника электрическим полем и используются для масс-спек-трального анализа. Ширина энергораспределения этих ионов ~5 эВ. Интенсивность ионного пучка, извлекаемого из отверстия в аноде, на порядок больше, чем интенсивность пучка ионов, извлекаемых из катодной области.
PACS: 45.75.-i, 41.75.Ak
Ионный источник тлеющего разряда на сегодняшний день является наиболее перспективным прибором, используемым для прямого спектрального и масс-спектрального анализа твердых веществ. Это определяет необходимость исследования процессов, протекающих в таком источнике при трансформации анализируемого вещества в возбужденные атомы и ионы и при формировании ионного пучка.
Существует несколько разновидностей такого источника.
В первых коммерческих масс-спектрометрах тлеющего разряда VG 9000 использовалась простейшая диодная конфигурация с образцом-катодом, плоским или в виде стержня, который размещался в разрядной камере [1]. Рабочее давление аргона в разрядной камере составляло ~0.1 Торр, при этом образец окружало темное катодное пространство и отрицательное свечение (положительный столб отсутствовал).
В 1968 г. Гриммом [2] был предложен источник для исследования плоских образцов методом эмиссионного спектрального анализа. Впоследствии этот источник был доработан и использован в масс-спектрометрии - фирма THERMO ELECTRON CORPORATION на его основе разработала масс-спектрометр ELEMENT GD для анализа твердых тел плоской конфигурации. Скорость натекания аргона в разрядную камеру достигала 0.3 л/мин, что, конечно, нагружало
вакуумную систему. Оба источника позволяли анализировать твердые образцы с предельной чувствительностью на уровне 1 ррЬ (10-7%).
В ИПТМ РАН был разработан ионный источник тлеющего разряда на основе полого катода для элементного анализа твердых образцов в форме стержня [3] с аналогичной чувствительностью.
В данной работе предложено распыляемый образец в виде стержня устанавливать вдоль оси катодной полости. При этом вокруг образца при разряде образуются еще один катодный слой и темное катодное пространство. Область отрицательного свечения имеет форму полого цилиндра и заполняет всю свободную часть катодной полости между темными пространствами.
Во всех ионных источниках тлеющего разряда разрядная камера выполнена из металла и является анодом. Ионный пучок, анализируемый масс-спектрометром, извлекается из отверстия в аноде, что, на первый взгляд, кажется противоестественным, так как анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду и положительные ионы, образующиеся в тлеющем разряде, должны электрическим полем направляться из плазмы именно к катоду с отрицательным потенциалом и бомбардировать его.
При обычном тлеющем разряде между катодом и анодом образуются: темное катодное пространство, область отрицательного свечения, по-
U г
Рис. 1. Схема образования тлеющего разряда между
катодом и анодом. ТКП - темное катодное пространство, Щ - падение напряжения на катоде.
ложительный столб и темное анодное пространство. В некоторых случаях, при недостатке места, положительный столб может отсутствовать (такой разряд обычно используется в масс-спектро-метрии тлеющего разряда). К темному катодному пространству прикладывается почти все напряжение разряда. При этом напряжение между плазмой (отрицательное свечение или положительный столб) и анодом не превышает нескольких вольт. Райзер полагает [4], что анод отталкивает положительные ионы и притягивает электроны, в результате анодный слой обеднен ионами. Аналогичной точки зрения придерживаются В.А. Грановский [5], Г. Мирдель [6] и др.
В полом катоде рабочее давление аргона в катодной полости диаметром 15 мм составляет 0.10.2 Торр. При таком давлении положительный столб не проникает в катодную полость. В полости находятся лишь катодный слой и темное катодное пространство вблизи внутренних стенок. Отрицательное свечение заполняет всю остальную полость. Электроны осциллируют между внутренними стенками катодной полости. Они возбуждают и ионизируют атомы в области отрицательного свечения.
Напряжение, приложенное к темному катодному пространству, вытягивает из плазмы отрицательного свечения положительные ионы, а из катода - электроны. Напряженность поля в темном катодном пространстве высока, в результате ионы приобретают энергию несколько десятков вольт, бомбардируют и распыляют катод.
В ионном источнике тлеющего разряда катод, действительно, подвергается интенсивной бомбардировке ионами. Энергия ионов достаточна, чтобы разрушить связи между атомами в кристаллической решетке анализируемого материала и распылить материал катода. С другой стороны, экспериментально установлено, что из отверстия в аноде диаметром 1 мм легко можно
извлечь ионный ток амплитудой десятки микроампер, т.е. плотность ионного тока на внутреннюю поверхность анода достигает нескольких миллиампер на квадратный сантиметр, что сравнимо с плотностью ионного тока на катод. Наличие большого количества ионов у анода указывает на то, что в ионном источнике тлеющего разряда имеется практически два сравнимых по величине ионных потока из плазмы. Один поток состоит из высокоэнергетичных ионов, он бомбардирует и распыляет катод, распыленные нейтральные атомы диффундируют в плазму и ионизируются. Второй поток состоит из низкоэнерге-тичных ионов и направлен к аноду, несмотря на то что анод имеет небольшой положительный потенциал по отношению к плазме. Низкоэнерге-тичный ионный поток создается за счет амбипо-лярной диффузии электронов и ионов к аноду -явление, хорошо известное в физике плазмы [7] (рис. 1). Электроны эмитируются катодом при его бомбардировке ионами, кроме того, электроны образуются в плазме отрицательного свечения при ионизации плазмообразующего газа и распыленных атомов. В электрическом поле электроны диффундируют к аноду.
Амбиполярная диффузия - это совместный диффузионный перенос электронов и ионов в направлении уменьшения их концентрации. В каждой точке объема плазмы электронный Ге и ионный Г; потоки равны и могут отличаться лишь на постоянную величину:
Ге = Г + Го,
Г0 - const, так называемый "сквозной поток".
Плазма тлеющего разряда заведомо неравновесна - коэффициент диффузии электронов намного больше коэффициента диффузии ионов. Вследствие различия этих коэффициентов компоненты стремятся разделиться. Различие подвижно-стей электронов и ионов в плазме определяется отношением масс заряженных частиц JM/m ~ 100. Однако уже слабое разделение зарядов приводит к появлению электрического поля (самосогласованного амбиполярного поля), которое препятствует их дальнейшему разделению. Самосогласованное поле задерживает электроны и ускоряет ионы таким образом, чтобы их диффузионные потоки были равны. Коэффициент амбиполярной диффузии Da определяется коэффициентом диффузии более медленной компоненты:
Da = (1 + TJT)D„
где Te и T - температуры электронной и ионной компонент.
Если плазма находится в электрическом поле (как в источниках тлеющего разряда), то амбиполярная диффузия накладывается на полевую
(а) (б)
к масс-
спектрометру
к масс-
спектрометру
Рис. 2. Схемы ионных источников тлеющего разряда с полым катодом: а - с извлечением ионов непосредственно из полого катода; б - с извлечением ионов из отверстия в аноде. 1 - полый катод, 2 - распыляемый образец, 3 - анод, 4 -витоновый изолятор, 5 - капилляр для ввода аргона в полый катод.
диффузию, в результате полевые и диффузионные потоки суммируются.
Амбиполярная диффузия особенно эффективно ускоряет ионы в импульсных ионных источниках, таких как высокочастотная вакуумная искра и лазерные источники. В них положительные ионы ускоряются до сотен вольт, а в некоторых случаях - и до нескольких киловольт.
Очевидно, что оба ионных потока в тлеющем разряде имеют разные энергетические характеристики, которые до сих пор не были измерены.
Одной из важнейших характеристик ионного источника тлеющего разряда является структура энергораспределения генерируемого ионного пучка. Знание ширины энергораспределения позволяет определить потенциальные области его применения. В масс-спектрометрии источники с шириной энергораспределения ионов более 3-5 эВ требуют масс-анализатора с двойной фокусировкой. Использование ионов с большей шириной энергораспределения приводит к уширению масс-спектральных линий в квадрупольных, времяпро-летных масс-анализаторах, а также в анализаторе с одинарной фокусировкой.
Требования к энергетическому разбросу ионов, генерируемых ионным источником, обычно достаточно высоки. Наиболее удобно использовать источники с минимальным разбросом ионов по энергиям. Например, при разрешении 103 (в масс-спектрометрах с одинарной фокусировкой) разброс ионов по энергиям не должен превышать 0.1% от величины ускоряющего напряжения при полном отсутствии аббераций и при бесконечно тонкой ширине главной и приемной щелей. В реальных условиях, при конечной ширине щелей и ненулевых абберациях, разброс должен быт
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.