Способ подачи газа в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов
METHOD OF GAS SUPPLY TO SUPERSONIC NOZZLE OF GAS CLUSTER ION ACCELERATOR

Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к системам подачи газа в сверхзвуковое сопло при формировании пучков ускоренных газовых кластерных ионов. Изобретение предназначено для формирования кластерных пучков, образованных слабо кластеризующимися газами, и может быть применено в оптоэлектронике для процесса планаризации подложек и поверхности слоев, наносимых по планарной технологии, при изготовлении оптоэлектронных приборов.
В патенте US 20140123457A1 показан способ улучшения характеристик оборудования для ионно-кластерной обработки поверхности материалов за счет изменения конструкции сверхзвукового сопла и скиммера, которые устанавливаются в едином блоке и крепятся в нем жестко, соосно друг другу.
В работе JP 2012099221А приводится описание пушки для создания газового кластерного ионного пучка, способной формировать газовый кластерный ионный пучок с достаточно короткой длительностью импульса, чтобы использовать ее для получения первичных ионов в масс-спектрометрии вторичных ионов с времяпролетной масс-сепарацией. Для этого за пушкой устанавливается блок затвора для получения GCIB, испускаемого из ионизационной камеры в течение заданного времени, и блок сепарации для удаления газовых кластерных ионов, выходящих за пределы заранее заданного диапазона масс.
Наиболее близким к заявленному способу техническим решением является система формирования газовых кластерных ионных пучков, приведенная в патенте US 20110272594A1. Эта система включает в себя сопло для формирования пучка газовых кластеров, а также камеру стагнации (буферный объем), расположенную выше по потоку газа и смежную с соплом. Ниже по потоку от выпускного отверстия сопла расположен ионизатор для ионизации кластерного пучка. Система также включает в себя две линии подачи рабочего газа. Каждое из устройств подачи рабочего газа сообщается с впускным отверстием камеры стагнации и состоит из двух источников газа и клапанов, расположенных между источниками газов и камерой стагнации.
В рассматриваемых выше источниках газовых кластерных ионов рабочий газ подается в сопло непрерывно. Недостатком таких источников является невозможность их использования в случае применения слабо кластеризуемых газов.
Кластеризуемость газов описывается безразмерным параметром Хагены:
0
0
где р и Т - давление и температура стагнации, а род газа учтен в параметре конденсации k, значения которого для различных газов приведены в Таблице 1.
Следовательно, для получения газового кластерного ионного пучка в случае использования, например, гелия необходимо на входе газового потока в вакуумную систему создать давление в несколько сотен раз выше, чем в случае аргона (эксперимент показывает, что при использовании аргона как процессного газа быстродействие насоса должно быть около 1000 л/с). Понятно, что ни один существующий в настоящее время насос не сможет откачать такой поток гелия, поступающий в вакуумную камеру.
Следует отметить, что в системе, являющейся ближайшим аналогом, имеются клапаны между газовыми линиями и сверхзвуковым соплом, однако данные клапаны служат для регулирования потока рабочих газов и выбора между ними. В результате данную систему нельзя использовать для получения газового кластерного ионного пучка слабо кластеризуемых газов.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на расширение класса рабочих газов, в том числе слабо кластеризуемых, используемых в системах для формирования газовых кластерных ионных пучков.
Указанный технический результат достигается тем, что осуществляется формирование газового кластерного ионного пучка в вакуумной камере при подаче рабочего газа под давлением от источника газа в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов, при этом формирование газового кластерного ионного пучка осуществляется путем импульсной подачи газа от источника, при значении давления стагнации, не превышающем 7 атм, и при длительности импульса тока кластерных ионов, на 1-2 порядка превышающей длительность подачи газа от источника.
Формирование газового кластерного ионного пучка в вакуумной камере реализуется при подаче рабочего газа под давлением от источника в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов. При истечении газа из сверхзвукового сопла в результате конденсации отдельных атомов газа (или молекул) при адиабатическом расширении газа под давлением из сопла в вакуум формируются кластеры в зоне молчания внутри бочки Маха. При пересечении потоком кластеров нормального скачка, ограничивающего бочку Маха, кластеры разрушаются ввиду резкого повышения температуры и плотности среды. Для предотвращения разрушения кластеров служит скиммер, острие которого проникает в ядро струи. На фиг. 1 показаны в качестве примера изотермы в потоке газа Ar на выходе из сопла. Если острие скиммера перестает проникать внутрь зоны молчания, в пучке частиц преобладают мономеры.
Продольный размер бочки Маха, то есть области существования кластеров, определяется выражением:
0
1
где k - коэффициент пропорциональности, d - диаметр критического сечения сопла, р - давление перед соплом и р давление в камере формирования кластеров вдали от зоны молчания.
m
0
1
Как видно из данной формулы, размер бочки Маха r зависит от диаметра критического сечения сопла, обычно неизменного, и соотношения давлений на входе в сопло и в камере формирования кластеров. Давление перед соплом задается давлением газа, поступающего в систему. Максимальная величина создаваемого давления перед соплом р ограничена производительностью используемых вакуумных насосов, т.к. процесс формирования кластеров происходит в вакууме при давлении р.
0
Использование импульсной подачи газа позволяет поднять давление перед соплом р (давление стагнации) до 7 атм, достаточного для образования газовых кластеров в том числе и слабо кластеризуемых газов. Полученный предел по давлению связан с возможностью по быстродействию используемых вакуумных турбомолекулярных насосов, которая составляет 500-1000 л/с.
Импульсная подача газа, позволяющая поднять давление перед соплом, реализуется за счет установки импульсного клапана между источником газа и сверхзвуковым соплом. Кроме того, между выходным отверстием импульсного клапана и критическим сечением сопла существует буферный объем. В момент открывания клапана в этот объем начинает поступать рабочий газ. После того как клапан закрывается и поступление газа в объем прекращается, давление в нем начинает понижаться за счет относительного медленного истечения через сопло.
Для определения времени вытекания газа из буферного объема, то есть продолжительности кластерного импульса, используется следующее выражение (3):
0
где , D - диаметр буферной зоны, l - ее длина, d - критический диаметр сопла, Т - начальная температура газа, γ - коэффициент теплоемкости. Таким образом, время t пропорционально корню из молярной массы газа, и более тяжелые газы вытекают из буферного объема медленнее. Следовательно, давление в нем падает медленнее, и продолжительность кластерного импульса при прочих равных параметрах для таких газов увеличивается.
Длительность подачи рабочего газа в импульсном режиме работы ускорителя газовых кластерных ионов выбирается исходя из времени, необходимого для заполнения буферного объема до давления, равного входному. Продолжительность истечения газа из буферного объема через сопло, т.е. длительность импульса тока кластерных ионов оценивается с помощью выражения (3) и зависит от используемого рабочего газа.
Длительность импульса тока кластерных ионов определяется скоростью падения давления перед соплом, при значении давления ниже критического газовые кластеры не образуются. Скорость падения давления перед соплом в общем случае зависит от величины буферного объема и создаваемого давления в нем. При давлении рабочего газа, не превышающем 7 атм, значение длительности импульса тока кластерных ионов должно на 1-2 порядка превышать длительность подачи газа от источника.
Данный способ был реализован с помощью устройства для импульсной подачи газа в сверхзвуковое сопло ускорителя газовых кластерных ионов, приведенного на фиг. 2. Устройство представляет собой: источник газа 1, импульсный клапан 2, буферный объем 3, сверхзвуковое сопло 4, скиммер 5.
3
Работа устройства описывается следующим образом: подача рабочего газ от источника 1 регулируется импульсным клапаном 2, при нахождении импульсного клапана в открытом состоянии рабочий газ заполняет буферный объем 3 (приблизительно равный 0,1 см) до рабочего давления и переходит в закрытое состояние. Поскольку диаметр отверстия клапана превышает диаметр критического сечения сверхзвукового сопла 4, газ натекает достаточно быстро, и в объеме устанавливается давление, равное заданному давлению газа, не превышающему 7 атм. Оценка времени натекания газа в буферный объем дает значение 8-10 мс. После закрытия импульсного клапана 2 давление в буферном объеме 3 начинает понижаться за счет относительного медленного истечения рабочего газа через сверхзвуковое сопло 4. При истечении газа из сверхзвукового сопла в результате конденсации отдельных атомов газа (или молекул) при адиабатическом расширении газа под давлением из сопла в вакуум формируются кластеры в зоне молчания внутри бочки Маха. При пересечении потоком кластеров нормального скачка, ограничивающего бочку Маха, кластеры разрушаются ввиду резкого повышения температуры и плотности среды. Для предотвращения разрушения кластеров служит скиммер 5, острие которого проникает в ядро струи.
На фиг. 3 представлен вид импульса тока пучка, измеряемый с помощью цилиндра Фарадея. Отмечена продолжительность открытого состояния клапана (10 мс), период следования импульсов (период срабатывания импульсного клапана) - 1 с, рабочий газ - аргон при давлении 5 атм.
В момент открытия клапана наблюдается короткий импульс тока длительностью 10 мс, соответствующей времени открытого состояния клапана с интенсивностью около 400 нА, после его интенсивность уменьшается примерно в 4 раза и остается практически неизменной в течение 150 мс. Далее в момент времени, когда давление в буферном объеме падает настолько, что в соответствии с формулой (2) расстояние от среза сопла до нормального скачка становится меньше, чем расстояние от среза до скиммера, скиммер перестает проникать в бочку Маха. Кластеры разрушаются, проходя через нормальный скачок, и попадают в ионизатор уже в виде отдельных мономеров. При ионизации мономеры приобретают заряд, причем переносимый ими ток гораздо больше тока, переносимого кластерами, поскольку количество мономеров превосходит количество исходных кластеров. Этому моменту соответствует второй пик на фиг. 1 с максимумом в районе 200 мс.
Продолжительность истечения газа из буферного объема через сверхзвуковое сопло, т.е. длительность импульса тока кластерных ионов, оцениваемая с помощью выражения (3) для аргона с рабочим давлением 5 атм составляет 300 мс.
2
На фиг. 4 представлен вид импульса тока пучка, измеряемый с помощью цилиндра Фарадея для рабочего газа азота при давлении 5 атм, продолжительность открытого состояния клапана 20 мс. Пик с максимумом в области 150 мс соответствует мономерам N.
2
Продолжительность истечения газа из буферного объема через сверхзвуковое сопло, т.е. длительность импульса тока кластерных ионов, оцениваемая с помощью выражения (3), для N составляет около 100 мс при рабочем давлении 5 атм.
2
2
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет поднять давление стагнации в ускорителе газовых кластерных ионов до величины, не превышающей 7 атм, за счет импульсной подачи рабочего газа, что в свою очередь дает возможность использовать в качестве рабочих слабо кластеризуемые газы (Не, N или О).