ФИЛЬТР ВИНА

Предполагаемая полезная модель относится к области микро-, наноэлектроники, в частности, к средствам диагностики и контроля пленок наноразмерной толщины в технологии производства микро- и наносхем. Предлагаемый фильтр Вина (или энергомасс-сепаратор, ExB - фильтр) является составной частью ионных пушек спектрометров для диагностики поверхности: вторично-ионной масс-спектроскопии, спектроскопии атомов отдачи, ионно-фотонных спектрометров и других.
Известен энергомасссепаратор заряженных частиц, содержащий два протяженных электрода, входную и выходную диафрагмы, расположенные по торцам пары электродов, вакуумноплотный корпус, в котором расположены электроды, магнит, между полюсами которого расположен вакуумноплотный корпус, магнитопровод, соединяющий полюса магнита [Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1982. - 399 с.; Черепин В.Т. Ионный зонд. Киев: Наукова думка, 1981. 321 с.].
Известный энерго-масс-сепаратор имеет магнитный сепаратор с высокой разрешающей способностью, на входе которого расположен энергосепаратор высокой светосилы, но малого разрешения. Известное устройство используется в высокоразрешающем масс-спектрометре. Недостатками известного устройства является высокая стоимость, отклонение выходного пучка от начальной траектории более 30°, а также большие габариты.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является энергомасссепаратор заряженных частиц (фильтр Вина), содержащий два протяженных плоскопараллельных электрода, входную и выходную диафрагмы, расположенные по торцам пары электродов, трубку пролетного пространства, расположенную последовательно с плоскопараллельными электродами, диафрагму, расположенную в торце пролетной трубки, вакуумноплотный корпус, в котором расположены электроды, пролетная трубка и диафрагмы, содержащий также магнит, между полюсами которого расположен вакуумноплотный корпус, магнитопровод, соединяющий полюса магнита [Волков С.С., Гутенко В.Т., Коблев Н.Н., Толстогузов А.Б. Масс-сепаратор ионных пучков на основе фильтра Вина. // Электронная промышленность. 1988. Вып.4 (1723). С.46-49.; Secondary Ion Mass Spectroscopy. - Проспект фирмы VG Scient, 1981].
Известное устройство предназначено для очистки ионных пучков от чужеродных загрязняющих примесей. Оно входит в состав ионных пушек и обычно монтируется с другими частями ионной пушки в сборке в общем корпусе. Недостатками известного устройства являются большая трудоемкость сборки-разборки, настройки по оптической оси ионной пушки, так как монтаж электродной системы фильтра осуществляется на одной основе с электродной системой ионной пушки. Сложность монтажа ухудшает трансмиссию (пропускание) фильтра.
Технический результат направлен на снижение трудоемкости монтажно-сборочных работ при изготовлении, настройке и профилактике ионной пушки и повышение пропускания (трансмиссии) фильтра.
Технический результат достигается тем, что энергомасссепаратор заряженных частиц (фильтр Вина), содержащий два протяженных плоскопараллельных электрода, входную и выходную диафрагмы, расположенные по торцам пары электродов, трубку пролетного пространства, расположенную последовательно с плоскопараллельными электродами, диафрагму, расположенную в торце пролетной трубки, вакуумноплотный корпус, в котором расположены электроды, пролетная трубка и диафрагмы, содержащий также магнит, между полюсами которого расположен вакуумноплотный корпус, магнитопровод, соединяющий полюса магнита, при этом дополнительно снабжен двумя металлическими фланцами из немагнитной нержавеющей стали с условным диаметром 50 мм (ду-50), приваренными к торцам корпуса, при этом корпус, фланцы и плоскопараллельные электроды выполнены из нержавеющей немагнитной стали в виде трубы с плоскопараллельными стенками, а фланцы содержат вакуумное соединение в виде треугольного зуба с углом 20° и высотой 1.2 мм, 8 поперечных отверстий по окружности через 45° для крепления шпильками М8, 8 радиальных отверстий диаметром 6 мм, ориентированных посередине между крепежными отверстиями, к выходу радиальных отверстий приварены вакуумноплотные электрические выводы на изоляторах, к которым соединены плоскопараллельные электроды, диафрагмы и пролетная трубка, а все электроды жестко закреплены через керамические изоляторы друг с другом и с фланцами.
На рисунке приведена схема конструкции предполагаемой полезной модели - энергомасссепаратора (фильтра Вина).
Предполагаемая полезная модель энерго-масс-сепаратор (фильтр Вина) (далее - фильтр) содержит два фланца 1 и 13 с вакуумным соединителем 2 в форме треугольного зуба, а также 8 радиальных отверстий 3, расположенных через 45°, к выходам которых приварены трубчатые изоляторы 5 с электрическими выводами 4 в виде стрежней, и поперечные сквозные отверстия для крепления фильтра в сборе к тракту ионного пучка или к другому физико-аналитическому оборудованию. Фильтр содержит корпус 7 из немагнитного материала с сечением в форме плоской трубы, к торцам которого приварены фланцы 1 и 13. В корпусе последовательно изолированно друг от друга расположены, входная диафрагма 6, два протяженных плоскопараллельных электрода 10, выходная диафрагма 11 электродов, трубка 14 пролетного пространства, выходная диафрагма 16 пролетного пространства. Плоскопараллельные электроды 10 ориентированы перпендикулярно к плоским стенкам корпуса 7. Фильтр содержит магнит 8, 9, 17 с магнитными полюсами 8, 17 и магнитопроводом 9. Корпус 7 фильтра размещен между полюсами магнита 9, 17 и его плоские стенки ориентированы параллельно плоскостям полюсов магнита. На рисунке полюса магнита в сечении изображены в плоскости рисунка для наглядности конструкции. В действительности магнит должен быть повернут на 90° вокруг оси от положения, изображенного на рисунке. При этом направление магнитного потока Ф между полюсами 9, 11 магнита оказывается перпендикулярным вектору напряженности Е электрического поля между протяженными плоскопараллельными электродами 10 внутри корпуса 7. Диафрагмы служат для ограничения диаметра ионного пучка и для предотвращения рассеяния поля электродов 10 за пределы фильтра. Так как ионные пучки распыляют края диафрагм, то диафрагмы изготавливаются из молибдена.
Работа фильтра. Сепарируемый ионный пучок положительно заряженных однозарядных ионов с загрязняющми чужеродными ионами направляется в отверстие входной диафрагмы 6 вдоль оси фильтра. Потенциал диафрагмы зависит от режима работы ионной пушки и способа подачи напряжений на его электроды. В большинстве случаев потенциал осевой в области входной диафрагмы равен нулю. Поэтому потенциалы всех диафрагм 6, 11, 16 и пролетной трубки 14 равны нулю.
Л
цб
2
Постоянный магнит 8, 17 с магнитопроводом 9 создает внутри корпуса фильтра 7 в пространстве между протяженными электродами 10 магнитное поле с магнитной индукцией B, направленной от полюса N к полюсу S. Так направление магнитного потока перпендикулярна к направлению траектории ионов, то на ионы будет действовать сила, перпендикулярная к направлению вектора магнитной индукции и перпендикулярная к направлению движения иона. Под действием этой силы, называемой силой Лоренца) ионы в фильтре будут двигаться по окружности в плоскости силы Лоренца и направления движения ионов. При равномерной угловой скорости сила Лоренца F=evB уравновешивается центробежной силой F=mv/2. Из этого условия определяется радиус окружности траектории иона
2
1/2
R=mv/evB=(2 mU/e)B,
где m, e - масса, заряд и скорость электрона; U - ускоряющее напряжение до входа в фильтр; B - магнитная индукция или плотность магнитного потока.
E
Л
Ионы с разной массой имеют разные радиусы движения. При ортогональном расположении плоскостей магнитных полюсов и плоскостей электродов 10 магнитное поле направлено параллельно плоскостям электродов, а траектория ионов отклоняется в сторону одного из электродов. Если к этому электроду приложить положительный потенциал, а к другому электроду - симметричный отрицательный потенциал, то образуется электрическая сила, противодействующая магнитной силе, и они направлены в плоскости, перпендикулярной к плоскостям электродов. Если подобрать потенциалы электродов так, чтобы сила электрического поля F=eE, где E - напряженность электрического поля между электродами фильтра, равнялась силе магнитного поля (силе Лоренца) F, то ионы будут двигаться по прямой и выходят в выходную диафрагму 11 электродов в пролетное пространство 14. Из-за отличия масс загрязняющих ионов от массы основных ионов пучка все загрязняющие ионы прямой траектории иметь не могут, то они в пролетное пространство не выходят. В пролетном пространстве оказывается пучок только основных типов ионов - ионов пучка. При наличии близких к основным по массе загрязняющих ионов, они выходят в пролетное пространство, но движутся под расходящимся пучком от оси и в выходную диафрагму 15 пролетной трубки не попадут. В результате разлета ионов в пролетном пространстве одновременно произойдет сепарация ионов энергиям. При этом конструкция фильтра скомпонована в автономную сборку, со всеми автономными выводами между крепежными отверстиями во фланцах. Предлагаемая конструкция позволяет размещать после выходной диафрагмы 15 пролетного пространства 14 ионную оптику и выводить электрические выводы электродов линзовых систем также через электрические выводы во вланцах. При восьми отверстиях во фланцах в двух фланцах можно расположить всего 16 выводов, что достаточно для сложной линзовой оптики с двумя парами отклоняющих пластин.
Сопоставительный анализ показал, что предполагаемая полезная модель монтируется в единую жесткую конструкцию с автономными электрическим выводами, имеет дополнительно свободны электрические выводы для дополнительны электродов. Автономная сборка позволяет применять более разнообразные технологические способы и оборудование для сборки и контроля и обеспечить более лучшие характеристики по сравнению с прототипом. Упрощается также профилактика фильтра, как автономного разъединяемого узла.