УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к микротехнологии и касается оборудования для изготовления и испытания вакуумных микроэлектродных систем. Преимущественной областью ее использования является исследование влияния изменений формы, материала и соотношения размеров анодов, катодов и сеточных электродов на электрические свойства вакуумного микроэлектронного прибора.
Известно устройство для моделирования и испытания вакуумной электродной системы, содержащее источники электрического напряжения, цепи управления электрической нагрузкой и смещениями, а также электроизмерительные приборы, подключаемые к испытуемому изделию (Роксман М.А., Гуртовник А.Г., Гельштейн М.И. и др. Надежность и испытание электровакуумных приборов. М.: Советское радио, 1976, с.254-255).
В таком устройстве испытуемой электродной системой является электродная система образца партии соответствующих электровакуумных приборов, что не позволяет изменять форму и геометрические размеры электродов без изготовления соответствующего целевого изделия.
Известно также устройство для моделирования вакуумной электродной системы, содержащее электролитическую ванну, в которую помещены заготовки электродов, подключенных к источнику напряжения. Согласно получаемой при этом диаграмме распределения электрического поля производят корректировку формы, размеров и взаимоположения электродов (см., например: Жигарев А.А. Электронная оптика и электронно-лучевые приборы, 1972, с.271-276).
Однако, как отмечается в приведенном источнике, такая установка пригодна лишь для создания упрощенной модели электродной системы. Для изменения формы и геометрических размеров электродов здесь требуется соответствующее дополнительное оборудование. Кроме того, при реализации
данной модели существуют большие технический трудности моделирования режима вакуума. Эти недостатки сохраняются и при использовании указанного устройства в сочетании с методами математического моделирования электродных систем (Шалимов Ю.Н. Влияние тепловых и электрических полей на электрохимические процессы при импульсном электролизе. Авто-реф. докт. дисс. Иваново, 2006).
Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании установки фокусированного ионного пучка по новому для нее назначению, а именно, для моделирования вакуумной электродной системы. С этой целью в конструкцию данной установки вносятся предлагаемые ниже изменения.
Моделирование вакуумной электродной системы может быть выполнено на базе установки фокусированного ионного пучка, оснащенной вакуумной камерой, в которой расположен предметный столик для размещения заготовки электрода, ионная колонна и детектор вторичных электронов для формирования изображения области ионной обработки (JP 63274047, H01J 37/073, 1/30, 1/304, 9/02, 37/06, 1988; JP 3261040, H01J 9/02, 19/24, 21/02, 21/10, 19/00, 21/00, 1991). Более удобной в целях моделирования является установка фокусированного ионного пучка, дополнительно оснащенная микроманипулятором, выполненным с возможностью перемещения и фиксирования конструктивных элементов, взаимодействующих с ионным пучком (WO 2005/031789, H01J 37/20, G01N 1/28, 1/32, G02B 21/32, 2005).
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности (но не по назначению!) является установка фокусированного ионного пучка, оснащенная вакуумной камерой, в которой расположены предметный столик для размещения обрабатываемого образца, выполненный с возможностью перемещения в пространстве, наклона и вращения, ионная колонна, детектор вторичных электронов для формирования изображения области ионной обработки и микроманипулятор, выполненный с возможностью перемещения и фиксирования
дополнительных элементов, взаимодействующих с ионным пучком (US 7015483, H01J 37/20, 2006).
Однако указанное устройство позволяет лишь поочередно, причем на разных технологических стадиях, изменять геометрическую форму и размеры одного из электродов, устанавливаемого в качестве объекта обработки ионным пучком. В то же время оно не позволяет моделировать электродную систему, поскольку в нем отсутствуют необходимые для физического моделирования функциональные узлы, обеспечивающие сборку модели электродной системы, подключение элементов модели к внешней электрической цепи и измерение технических характеристик модели.
Технической задачей предлагаемого устройства является обеспечение работы установки фокусированного ионного пучка по заявленному назначению.
Решение указанной технической задачи состоит в том, что в конструкцию установки фокусированного ионного пучка, оснащенной вакуумной камерой, в которой расположены предметный столик для размещения обрабатываемого образца, выполненный с возможностью перемещения в пространстве, наклона и вращения, ионная колонна, детектор вторичных электронов для формирования изображения области ионной обработки и микроманипулятор, выполненный с возможностью перемещения и фиксирования дополнительных элементов, взаимодействующих с ионным пучком, вносятся следующие изменения:
1) в вакуумной камере установлено не менее двух микроманипуляторов для перемещения моделируемых анода и/или других элементов исследуемой электродной системы;
2) размещаемый на предметном столике обрабатываемый образец представляет собой заготовку модели катода вакуумной электродной системы;
3) модели катода, анода и других элементов вакуумной электродной системы подключены через коммутатор к внешней электрической цепи для
подачи напряжений питания и/или смещения, а также измерения электрических характеристик исследуемой модели.
Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в обеспечении возможности проведения всех операций процесса моделирования электродной системы (изготовление и корректировка формы и размеров электродов; установление требуемого взаимоположения элементов электродной системы; испытание модели под вакуумом) на одной технологической установке.
На фиг.1 приведена схема минимального варианта предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 приведены схемы расположения элементов на стадиях изготовления моделей электродов.
Минимальный вариант устройства для моделирования вакуумной электродной системы на базе установки фокусированного ионного пучка (фиг.1) содержит ионную колонну 1, подключенную к вакуумной камере 2, в которой расположены предметный столик 3 для размещения обрабатываемого образца 4, выполненный с возможностью перемещения в пространстве, наклона и вращения с помощью сервопривода 5, детектор 6 вторичных электронов, служащий для формирования сигнала изображения области ионной обработки и первый микроманипулятор 7, выполненный с возможностью перемещения, фиксирования и отделения образца 4, обрабатываемого на предметном столике 3. В вакуумной камере 2 установлен также дополнительно микроманипулятор 8 для моделирования анода и/или других элементов исследуемой электродной системы. Размещаемый на предметном столике 3 обрабатываемый образец 4 представляет собой заготовку модели катода вакуумной электродной системы, при этом модели катода, анода и других элементов вакуумной электродной системы подключены через коммутатор 9 к внешней электрической цепи, включающей блок 10 питания для подачи напряжений питания и/или смещения, а также блок 11 измерения электрических характеристик исследуемой модели. Детектор 6 вторичных электронов,
входящий в комплект установки фокусированного ионного пучка, подключен к блоку 12 изображения, также входящему в комплект данной установки.
В данном варианте конструкции катод 4 и анод 13 подключены к выходу коммутатора 9 с помощью электрических выводов 14 и 15 соответственно. Микроманипулятор 7 и привод 5 предметного столика 3 показаны в виде отдельных элементов, как это имеет место в описании прототипа, тогда вариант с совместным выполнением элементов 5 и 7 представляется очевидным.
Устройство работает следующим образом. На первой стадии производят изготовление катода 4 требуемой формы и размеров с помощью обработки сфокусированным ионным пучком в вакуумной камере (фиг.2). В описываемом варианте катод 4 изготовлен из карбида кремния в форме конуса. На этой стадии заготовка 13 анода выведена микроманипулятором 8 из зоны обработки. Процесс обработки ионным пучком проводят под наблюдением блока 12 изображения, информация на вход которого поступает от детектора 6 вторичных электронов, эмитируемых поверхностью обрабатываемого образца 4.
На второй стадии (фиг.3) микроманипулятор 7 и сервопривод 5 отводят образец 4 из зоны обработки, в которую с помощью микроманипулятора 8 помещают заготовку анода 13 из тугоплавкого металла. Далее производят изготовление модели анода требуемой формы и размеров сфокусированным ионным пучком под наблюдением блока 12.
На третьей стадии к катоду 4 и аноду 13 присоединяют выводы 14 и 15 соответственно для подключения через коммутатор 9 к внешней электрической цепи. Данная стадия может выполняться однократно путем присоединения выводов 14 и 15 к необрабатываемым участкам элементов 4 и 13 или к частям соответствующих микроманипуляторов, электрически связанным с ними.
На четвертой стадии проводят испытание изготовленной электродной системы. С этой целью с помощью микроманипуляторов 7 и 8 устанавливают
требуемое взаимоположение изготовленных катода 4 и анода 13, а с помощью панели управления установкой сфокусированного ионного пучка настраивают режим вакуума в камере 2 в соответствии с программой испытаний. Далее с помощью коммутатора 9 подают к аноду и катоду требуемое напряжение и определяют с помощью блока 11 измерения ток, протекающий через моделируемую электродную систему. Для оптимизации параметров электродной системы (угла заточки катода, межэлектродного расстояния и др.) определяют также плотность проходящего через каждый электрод тока. Для каждого варианта электродов проводят несколько измерений, изменяя взаиморасположение электродов с помощью микроманипуляторов 7 и 8.
При необходимости стадии 1, 2 и 4 повторяют, внося тем самым корректировку в форму и размеры электродов.
Как пояснено приведенным примером, использование предлагаемого технического решения позволяет моделировать различные вакуумные электродные системы на установке фокусированного ионного пучка, осуществляя на данной установке не только изготовление, корректировку и установку требуемого взаимоположения электродов, но и электрическое испытание изготовленной модели под вакуумом.