АНАЛИЗАТОР ПОТОКА И ЭНЕРГИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к области диагностики низкотемпературной плазмы, конкретно - к устройствам для измерения потоков и энергии заряженных частиц, например, бомбардирующих поверхность твердого тела, обрабатываемого плазменных технологических системах, а также поверхности электродов и стенок камеры в других устройствах, использующих низкотемпературную плазму.
Ионная бомбардировка оказывает существенное влияние на процессы роста пленок, их травления и распыления. Именно она обеспечивает анизотропию травления полупроводников, что является ключевым фактором в производстве микросхем с субмикронными размерами элементов. С другой стороны, наличие бомбардировки ионами достаточно большой энергии может приводить к распылению электродов и других элементов разрядной камеры, что приводит к ее разрушению и изменению состава плазмы. Следовательно, вопрос измерения и контроля потоков и энергии ионов из плазмы является одним из ключевых в процессе разработки и использования устройств с низкотемпературной плазмой.
Измерение потоков и энергии частиц из низкотемпературной плазмы, как правило, осуществляется с помощью многосеточных анализаторов. Они представляют собой систему из параллельно расположенных сеток, на одну из которых подается потенциал, тормозящий исследуемые частицы, и коллектора, с помощью которого измеряется ток прошедших через сетку частиц. Коллектор достигают только частицы, энергия которых превышает тормозящий потенциал. Изменяя величину тормозящего потенциала, получают кривую задержки, ее производная дает функцию распределения частиц по энергии, а величина тока при нулевой задержке - поток частиц. Однако использование такого анализатора в условиях газоразрядной плазмы связано с рядом трудностей. Чтобы столкновения с молекулами газа не искажали распределение частиц по энергиям, размеры анализатора должны быть много меньше длины свободного пробега заряженных частиц. Следовательно, расстояние между сетками L должно выбираться минимально возможным. Это требование вступает в противоречие с необходимостью обеспечить механическую и электрическую прочность устройства, способность выдерживать тепловые нагрузки в плазме и хорошее разрешение по энергиям.
Известен трехсеточный энергоанализатор (К Denieffe, CMO Mahony, P D Maguire, D Gahan and MB Hopkins Retarding field energy analyser ion current calibration and transmission J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 075205 (7 pp)). Он состоит из металлического корпуса, последовательно расположенных трех параллельных сеток и коллектора заряженных частиц.
Недостатком данного анализатора является то, что при анализе энергии ионов вторичные электроны, выбиваемые из коллектора, попадают на третью сетку, имеющую положительный потенциал. Таким образом, возникающий ток вторичных электронов складывается с ионным током и искажает результаты измерений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является четырехсеточный анализатор энергии заряженных частиц (А.С.Смирнов, А.Ю.Уставщиков, К.С.Фролов. Распределение по энергиям электронов и ионов, бомбардирующих электрод в высокочастотном разряде. ЖТФ, 65, №8, с.38-50, 1995). Анализатор состоит из металлического корпуса, последовательо расположенных четырех плоских металлических сеток и коллектора заряженных частиц, размещенных в корпусе параллельно друг ругу. Первая сетка находится под потенциалом равным потенциалу поверхности, на которой проводятся измерения, как правило, нулевым. На вторую сетку подается отрицательный потенциал при анализе ионов и положительный - при анализе электронов, чтобы пропустить в анализатор только частицы одного знака. На третью сетку подается задерживающий исследуемые частицы потенциал (положительный при анализе ионов и отрицательный при анализе электронов). На четвертую сетку подается отрицательный относительно коллектора (имеющего нулевой потенциал) потенциал. Он возвращает вторичные электроны обратно на коллектор. Изменяя величину задерживающего потенциала от нуля до максимальной энергии частиц можно получить кривую задержки, а дифференцируя кривую задержки - функцию распределения частиц по энергии.
0
Недостатком устройства-прототипа является малая чувствительность из-за малой суммарной прозрачности сеток и недостаточное разрешение по энергии. Действительно, чувствительность устройства определяется отношением числа прошедших на коллектор электронов к числу поступивших на первую сетку - прозрачностью анализатора. Прозрачность одной сетки, находящейся под потенциалом близким к нулю, равна отношению площади отверстия S ячейки к полной площади S ячейки - оптической прозрачности сетки. Для сетки с квадратными ячейками прозрачность Т равна:
где:
а - размер ячейки;
b - толщина образующих сетку проволочек.
Прозрачность системы из нескольких сеток лежит в диапазоне от прозрачности одной сетки, если все сетки идентичны и ячейки совмещены, до произведения прозрачностей всех сеток, если ячейки расположены случайным образом.
Минимальная толщина проволочек, как правило, задана из-за требований к механической прочности сетки и необходимости пропускать без нагрева ток частиц, попадающих на сетку. Таким образом, прозрачность сеток возрастает с размером ячейки и стремится к 1 при а>>b.
С другой стороны, увеличение размера ячейки приводит к ухудшению разрешающей способности анализатора. В качестве меры разрешающей способности выбирается разница между правым краем кривой задержки, полученной для моноэнергетичного пучка ионов, и энергией этого пучка. Эту величину можно назвать смещением по энергии, так как она представляет собой смещение измеренной анализатором энергии моноэнергетического пучка по сравнению с истинной.
Смещение по энергии зависит от провисания потенциала на анализирующей сетке. Для "двумерной" сетки из бесконечно длинных бесконечно тонких металлических спиц величина этого провисания определяется соотношением [А.М.Тютиков, Ю.А.Шапиро "Об искажениях, вносимых сетками в кривые задержки трехэлектродных анализаторов" ЖТФ, 1963, т.33, №10, с.1265]:
3
2
4
23
34
23
3
2
23
34
4
2
34
3
4
23
34
где ΔD - разность между напряжением на анализирующей сетке и минимальным напряжением в плоскости сетки, U - напряжение на третьей (анализирующей) сетке, U и U - напряжения на соседних с третьей сетках, L и L - расстояния до соседних сеток, Е=(U-U)/L и Е=(U-U)/L - электрические поля по сторонам третьей сетки, а - период третьей сетки, к - численный коэффициент, равный 4π для двумерной сетки. Можно показать, что для сетки с прямоугольными ячейками это соотношение остается верным с точностью до значения численного коэффициента k. Формула применима для случая а,а<<L,L.
Задачей, решаемой данной полезной моделью, является увеличение разрешающей способности анализатора потока и энергии заряженных частиц при сохранении уровня чувствительности.
1
2
4
1,2,4
3
Задача решается анализатором потока и энергии заряженных частиц, содержащим корпус с входным отверстием закрытым первой плоской металлической сеткой, вторую, третью и четвертую плоские металлические сетки и коллектор, параллельные первой сетке, расположенные в корпусе последовательно друг за другом, в котором размеры a. a, a ячеек, соответственно, первой, второй и четвертой сеток удовлетворяют соотношению 1/3L≤a≤1/10L, а размер ячейки третьей сетки удовлетворяет соотношению 1/10L<а≤1/40L, где L - расстояние между сетками.
Авторы установили, что при использовании в четырехсеточном анализаторе третьей сетки с малым размером ячейки и, в соответствии с (1), малой прозрачностью, в то время как остальные сетки имеют больший размер ячейки и, соответственно, прозрачность, появляется возможность увеличить разрешающую способность анализатора.
Это объясняется тем, что в плоскости третьей сетки происходит переход от тормозящего исследуемые частицы электрического поля к ускоряющему. Таким образом, в плоскости третьей сетки происходит максимальное изменение электрического поля, что приводит, согласно формуле (2), к максимальному искажению траекторий заряженных частиц и ухудшению разрешающей способности устройства. Уменьшение размера ячейки минимизирует этот эффект, в то время как суммарная прозрачность сеток остается близкой к прозрачности третьей сетки, поскольку прозрачность остальных сеток при выбранном размере ячейки близка к 1.
Авторами было проведено численное моделирование характеристик разрабатываемого анализатора и получены кривые задержки для анализатора с одинаковыми сетками и с уменьшенными ячейками третьей сетки для моноэнергетического потока ионов с энергией 20 эВ. Кривая задержки для идеального анализатора должна представлять собой ступеньку при U=20 В. Уменьшение размера ячейки третьей сетки приводит к тому, что максимальная энергия ионов уменьшается с 31 до 22 эВ, а ширина пика с 13 до 2 эВ, при уменьшении чувствительности на 30%. Расчетные кривые задержки для описанного выше анализатора и для анализатора, в котором уменьшен также и размер ячеек второй сетки, показали, что уменьшение ячейки второй сетки не приводит к улучшению разрешения, а только уменьшает на 25% прозрачность анализатора (максимальный ток коллектора).
Анализатор был испытан в установке по исследованию высокочастотного емкостного разряда частотой 13.56 МГц в аргоне. Испытания показали, что анализатор обеспечивает расчетное разрешение частиц по энергии и позволяет проводить измерения при вкладываемой в разряд мощности более 15 Вт и при давлениях до 200 мТор.
Уменьшение размеров ячейки 1-й, 2-й и 4-й сеток до величины меньшей 1/10L не приводит к улучшению разрешения, а только уменьшает прозрачность системы сеток и, соответственно, чувствительность. Увеличение размера ячейки первой, второй и четвертой сетки до величины, превышающей 1/3L, приводит к существенному провисания поля в ячейках этих сеток и уменьшению разрешения анализатора.
Уменьшение размера ячейки третьей сетки до величины меньшей 1/40L приводит к уменьшению чувствительности анализатора, без существенного улучшения разрешения, которое в этих условиях определяется провисанием поля в остальных сетках. Увеличение размера ячейки третьей сетки до величины, превышающей 1/10L, приводит к резкому ухудшению разрешения без увеличения чувствительности, которая в этих условиях определяется потерями прозрачностью всех сеток.
3
1,2,4
Таким образом, проведенные численное моделирование и испытания четырехсеточного энергоанализатора показали, что уменьшение размеров ячеек третьей сетки до величины, удовлетворяющей соотношению 1/10L<а≤1/40L, где L - расстояние между сетками, при сохранении размера ячеек остальных сеток в диапазоне 1/3L≤a≤1/10L, позволяет существенно улучшить разрешение анализатора по энергии (при некотором уменьшении полезного сигнала (чувствительности)).
Предлагаемое устройство схематически изображено на Фиг., где:
1 - корпус;
2 - входное отверстие с первой сеткой;
3 - вторая сетка;
4 - третья сетка;
5 - четвертая сетка;
6 - коллектор.
Работа устройства.
Анализатор располагается на поверхности одного из электродов разряда, плазма которого исследуется, как правило, заземленном. Потоки электронов и ионов проходят в анализатор через первую сетку. Потенциал второй сетки отталкивает частицы одного сорта, например, электроны. Они притягиваются первой сеткой и поглощаются на ней. Ионы же ускоряются этим потенциалом и проходят к третьей сетке. Таким образом, на третью сетку поступает поток частиц одного знака. Через третью сетку проходят только частицы, энергия которых превышает поданный на нее потенциал. Эти частицы попадают на коллектор и создают ток в измерительной цепи. Вторичные электроны, которые выбиваются из коллектора, отталкиваются потенциалом четвертой сетки обратно на коллектор и не вносят искажения в измеряемую величину. Потенциал третьей сетки изменяется линейно со временем. Таким образом, измеряется «кривая задержки». Дифференцируя кривую задержки получают функцию распределения частиц по энергиям.
Пример 1.
1
2,4
3
Был изготовлен четырехсеточный энергоанализатор для измерения параметров плазмы прототипа плазменного источника для чистящего разряда. Анализатор представляет собой сверхтонкий (толщина 7.5 мм вместе с корпусом) набор из 4 слоев проводников со слоями изолирующего диэлектрика между ними. Пятый проводящий слой, - коллектор. Сетки (кроме первой) выращены из Ni, позолочены и сваркой трением приварены к стеклянным пластинам толщиной 450 мкм с напыленным на них слоем золота, с отверстиями для прохода ионов. Поскольку в процессе работы энергоанализатора возникает необходимость прикладывать между сетками разность потенциалов порядка сотен вольт, в качестве дополнительного слоя изолирующего диэлектрика между сетками использован полиимид толщиной 100 мкм фольгированный с одной стороны слоем меди толщиной 35 мкм. Таким образом расстояние между сеткам составляло L=600 мкм. Первая сетка изготовлена из тканой молибденовой сетки толщиной 75 мкм на каркасе из нержавеющей стали. Размер ячейки был выбран a=180 мкм=3/10L (шаг сетки), толщина проволоки b=40 мкм. Вторая и четвертая сетки имели размер ячейки а=150 мкм=1/4L, а третья сетка а=20 мкм=1/30L. Диаметр проволоки для 2-й и 4-й сеток составлял b=4 мкм. Коллектор был изготовлен из фольгированного полиимида. Потенциалы электродов: 0 - на первой сетке, (-100 В) - на второй сетке, от 0 В до 60 В (линейно изменяющийся) - на третьей сетке и (-15) В - на четвертой сетке.
По оценке авторов разрешающая способность предлагаемого анализатора в 5 раз превосходит прототип (при снижении чувствительности примерно на 30%).
Пример 2.
3
То же, что в примере 1, но размер ячейки третьей сетки а=150 мкм=1/4L.
Разрешающая способность падает в 7.5 раз, чувствительность возрастает на 30% по сравнению с примером 1.
Пример 3.
То же, что в примере 1, но размер ячейки третьей сетки а=10 мкм=1/60L.
Разрешающая способность близка к примеру 1, чувствительность падает в 2.5 раза по сравнению с примером 1.
Пример 4.
2,4
То же, что в примере 1, но размер ячейки 2-й и 4-й сетки а=300 мкм=1/2L. Разрешающая способность падает в 2 раза, чувствительность близка к примеру 1.
Пример 5.
2,4
То же, что в примере 1, но размер ячейки сеток 2-й и 4-й а=15 мкм=1/40L. Разрешающая способность близка к примеру 1, чувствительность падает в 10 раз по сравнению с примером 1.
Таким образом, созданный анализатор потока и энергии заряженных частиц (плазмы) имеет повышенную разрешающую способность при сохранении уровня чувствительности.
Следует отметить, что форма ячеек сетчатых электродов может быть разной, например, квадратной, шестиугольной.