СПОСОБ ИОНИЗАЦИИ АТОМАРНЫХ ИЛИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR IONISATION OF ATOMIC OR MOLECULAR FLOWS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для ионизации атомарных или молекулярных потоков и формирования ионных пучков в полупроводниковой технологии в области молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
Известен способ ионизации атомов (Вялов Г.Н. Институт ядерных исследований РАН. Способ ионизации атомов и устройство для его осуществления. - Патент РФ №2068597, публ. 27.10.1996 г.). Способ ионизации атомов заключается в том, что атомы подвергают бомбардировке ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке, при многократном прохождении электронами в продольном магнитном поле области взаимодействия с ионизированными атомами за счет отражения электронов от границ области ионизации, причем ионизированные атомы подвергаются дополнительному воздействию ионизирующими электронами при многократном прохождении ионизированных атомов через область взаимодействия.
Данный способ ионизации атомов реализован в устройстве (Патент РФ №2068597, публ. 27.10.1996 г.), которое содержит катод, антикатод и расположенный между ними симметрично анод. Устройство также содержит: симметрично расположенные отражающие электроды, ограничивающие по торцам объем разрядной камеры; тормозящие электроды, расположенные между отражающими электродами и соответственно катодом и антикатодом; формирующие электроды, расположенные между тормозящими электродами и соответственно катодом и антикатодом. Катод, антикатод, тормозящие и формирующие электроды выполнены в виде пластин с отверстиями для прохождения ионов и электронов. В этом устройстве предусмотрена бомбардировка атомов ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи электронов в атомной оболочке, причем электроны и ионы многократно проходят область взаимодействия за счет отражения от границ области ионизации.
Основным недостатком известного способа ионизации атомов и устройства его осуществления является большой разброс распределения по энергии ионов. К недостаткам также относится невозможность его использования для ионизации направленных атомарных потоков.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение (Oberbeck L., Bergmann R.B. Electronic properties of silicon epitaxial layers deposited by ion-assisted deposition at low temperatures. - J. Appl. Phys., v.88, №5, 2000), где способ ионизации атомарных или молекулярных потоков используют в высоковакуумных установках молекулярно-лучевой эпитаксии. Способ включает бомбардировку атомов ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи валентных электронов в оболочке. В этом способе поток атомов или молекул, проходя через плоскость тороидального катода, подвергается бомбардировке ускоренными электронами, летящими перпендикулярно потоку атомов или молекул. Бомбардирующие электроны возникают вследствие термической эмиссии из тороидального вольфрамового катода, нагреваемого путем пропускания через него тока. Ускорение электронов в плоскости катода обеспечивается за счет разности потенциала, распределенного по катоду вследствие приложенного к нему напряжения. Ионизированные атомы или молекулы ускоряются в направлении образца, на который ведется осаждение материала из атомарного или молекулярного потока, за счет отрицательного потенциала, приложенного на ускоряющую сетку, расположенную между катодом и образцом, причем для обеспечения сохранения заданной энергии ионов образец также находится под ускоряющим потенциалом, равным потенциалу ускоряющей сетки. Величина ускоряющего потенциала задается исходя из требуемой энергии ионов и лежит в диапазоне от десятков до тысячи вольт и более. Источником атомарного или молекулярного потока служит электронно-лучевой испаритель, эффузионная ячейка или газовый источник.
-4
Устройство ионизации атомарных или молекулярных потоков располагается в камере с вакуумом не хуже 10 Па между источником атомарного или молекулярного потока и образцом, на который происходит осаждение материала из источника. Устройство ионизации обеспечивает частичную ионизацию атомарного или молекулярного потока со степенью ионизации порядка 1%. Устройство ионизации атомарных или молекулярных потоков содержит: тороидальный катод, выполненный из вольфрама; экран, окружающий катод, и ускоряющую сетку, расположенную между катодом и образцом. При пропускании тока через катод возникает термическая эмиссия электронов, которые ускоряются от одного участка катода к другому за счет разности потенциала, распределенного по катоду, вследствие приложенного к нему напряжения порядка 20-30 В. Атомы или молекулы, проходя через плоскость катода, подвергаются бомбардировке электронами, летящими в перпендикулярном движению атомов или молекул направлении. Ионизированные атомы или молекулы ускоряются в направлении образца за счет отрицательного потенциала, приложенного на ускоряющую сетку, расположенную над катодом со стороны образца. Ускорение атомов или молекул происходит на участке между плоскостью расположения катода и ускоряющей сеткой, причем для обеспечения сохранения заданной энергии ионов образец также находится под потенциалом ускоряющей сетки. Экран, окружающий катод по внешнему периметру сверху и снизу, предотвращает распыление вольфрама от катода в объем вакуумной камеры на образец и на источник атомного или молекулярного потока.
Недостатками известного способа ионизации атомарных или молекулярных потоков и устройства для его осуществления являются неоднородность ионизации атомарного или молекулярного потока вследствие неравномерного распределения ускоряющего потенциала для электронов в плоскости катода, а также низкая эффективность из-за малого объема области взаимодействия электронов с атомарным или молекулярным потоком. Также недостатком является то, что ускоряющий потенциал для ионов необходимо прикладывать к образцу, что не всегда предоставляется технически возможным. Кроме того, для сохранения заданной ионам энергии необходимо, чтобы между ускоряющей сеткой и образцом, находящимся под одинаковым отрицательным потенциалом, поле было однородно, но из-за присутствия в вакуумной камере иных компонентов, относящихся к оборудованию системы МЛЭ и находящихся, как правило, под нулевым потенциалом, возможно искажение электрического поля на участке ускоряющая сетка-образец, что может еще более ухудшить однородность ионного потока и увеличить разброс по энергиям ионов.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и однородности ионизации за счет увеличения числа соударений электронов с ионизируемыми атомами или молекулами и повышения равномерности распределения плотности электронов в ионизируемом объеме, а также уменьшение разброса по энергиям ионов за счет создания узкой зоны для их ускорения.
Технический результат достигается в способе ионизации атомарных или молекулярных потоков, заключающемся в том, что поток атомов или молекул подвергают бомбардировке электронами, летящими перпендикулярно потоку атомов или молекул, с энергией, превышающей энергию связи валентных электронов в атомной оболочке, причем для получения бомбардирующих электронов через катод пропускают ток заданной величины, а поток атомов или молекул пропускают внутри цилиндрического анода, вдоль его оси, при этом бомбардирующие электроны ускоряют в направлении анода, и они многократно проходят область взаимодействия с атомами или молекулами за счет отражения от границ на потенциальном барьере, создаваемом за счет анод-катодной разности потенциалов.
В способе ионизации атомарных или молекулярных потоков ионы ускоряют за счет подачи потенциала на анод, а на ускоряющую сетку, расположенную над анодом, подают нулевой потенциал.
Технический результат достигается в устройстве ионизации атомарных или молекулярных потоков, размещенном в вакуумной камере над атомарным или молекулярным источником и содержащем катод и экран, окружающий катод по периметру, катод имеет форму спирали, внутри которой расположен цилиндрический анод, выполненный из металлической сетки, над верхним основанием анода размещена ускоряющая сетка, а над верхним и нижним основаниями катода расположены экранирующие электроды, на которые подают потенциал катода или оставляют под свободным потенциалом.
В устройстве под нижним основанием анода расположена отражающая сетка, на которую подают нулевой потенциал.
В устройстве верхнее и нижнее основания анода закрыты сетками.
В устройстве верхнее и нижнее основания анода закрыты сетками, и под нижним основанием анода расположена отражающая сетка, на которую подают нулевой потенциал.
В устройстве электроды, являющиеся несущими элементами анода, ускоряющей сетки, отражающей сетки и экранирующих электродов, выполнены в виде пластин с отверстием для прохождения потока ионизируемых атомов или молекул.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом.
На чертеже представлена схема устройства для ионизации атомарных или молекулярных потоков. На схеме устройства ионизации атомарных или молекулярных потоков представлены: 1 - катод; 2 - анод; 3 - ускоряющая сетка; 4, 5 - экранирующие электроды; 6 - экран; 7 - отражающая сетка.
Способ ионизации атомарных или молекулярных потоков включает многократную бомбардировку атомов или молекул ускоренными электронами, причем поток ионизируемых атомов или молекул проходит внутри анода, вдоль его оси, а многократная бомбардировка электронами осуществляется в поперечном направлении за счет спирального вольфрамового катода, окружающего анод. Анод выполнен в виде цилиндра из металлической сетки для свободного прохождения сквозь него атомов или молекул и электронов, причем электроны многократно проходят область ионизации, отражаясь от границы области, определяемой потенциальным барьером, создаваемым анод-катодной разностью потенциалов. Ускорение ионов происходит на коротком участке за счет анодного потенциала и осуществляется с помощью ускоряющей сетки, расположенной над анодом и находящейся под нулевым потенциалом.
Способ ионизации атомарных или молекулярных потоков используют в высоковакуумных установках. Способ заключается в бомбардировке направленного потока атомов или молекул ускоренными электронами с энергией, превышающей энергию связи валентных электронов в атомной оболочке. В этом способе поток атомов или молекул подается внутрь цилиндрического анода в направлении ускоряющей сетки и, проходя вдоль его оси, подвергается бомбардировке электронами, летящими перпендикулярно потоку атомов или молекул. Бомбардирующие электроны образуются вследствие термической эмиссии за счет пропускания тока через вольфрамовый катод, расположенный вокруг анода, и ускоряются в направлении анода за счет анод-катодной разности потенциалов, причем анод находится под положительным потенциалом, лежащим в диапазоне от десятков вольт до нескольких киловольт, а катод имеет потенциал ниже анодного, как минимум, на величину, определяемую энергией ионизации атомов или молекул, или ниже, вплоть до нулевого значения. Электроны многократно проходят область взаимодействия с атомами или молекулами за счет отражения от границ на потенциальном барьере, создаваемом анод-катодной разностью потенциалов. Ионизированные атомы или молекулы, выходя из анода, приобретают дополнительное ускорение за счет анодного потенциала. Ускорение ионов происходит на очень коротком участке с помощью ускоряющей сетки, расположенной непосредственно над анодом и находящейся под нулевым потенциалом, что обеспечивает максимальную однородность ионов по энергии. Степень ионизации атомарного или молекулярного потока зависит от величины тока, проходящего через катод, и от разности потенциалов между анодом и катодом, а также от плотности ионизируемого атомарного или молекулярного потока. Величина энергии ионов определяется потенциалом анода и может достигать нескольких кэВ и более (ограничивается напряжением пробоя).
Примеры реализации способа
-6
14
-1
+
Устройство ионизации располагается в высоковакуумной камере молекулярно-лучевой эпитаксии с остаточным давлением 10 Па над эффузионной ячейкой (тиглем) германия, обеспечивающей плотность молекулярного потока германия 7×10 см. Апертура эффузионной ячейки - 5 мм. Диаметр анода устройства ионизации составляет 16 мм, высота - 16 мм, анод имеет закрытое сеткой нижнее основание. Катод содержит 5 витков вольфрамового провода диаметром 0,3 мм, шаг витка - 2,4 мм, диаметр витка - 20 мм. Ускоряющая сетка расположена над анодом на расстоянии 2,5 мм. Экранирующие электроды и экран находятся под свободным потенциалом, отражающая сетка отсутствует. Молекулярный поток германия из тигля проходит через цилиндрический анод в направлении ускоряющей сетки, где подвергается ионизации. Ионы Ge, ускоренные анодным потенциалом, вместе с основным молекулярным потоком падают на образец, расположенный над устройством ионизации на расстоянии около 30 см.
Пример 1.
K
A
A
e
Напряжение на катоде U=24 В, ток катода 6 А, потенциал анода U=200 В, потенциал катода U-U=0 В. Энергия ионов Ge составляет 200 эВ, степень ионизации молекулярного потока 0,24%.
Пример 2.
K
A
A
e
Напряжение на катоде U=24 В, ток катода 7 А, потенциал анода U=200 В, потенциал катода U-U=0 В. Энергия ионов Ge составляет 200 эВ, степень ионизации молекулярного потока 0,54%.
Пример 3.
K
A
A
e
Напряжение на катоде U=24 В, ток катода 7 А, потенциал анода U=1000 В, потенциал катода U-U=0 В. Энергия ионов Ge составляет 1000 эВ, степень ионизации молекулярного потока 12%.
Необходимо отметить, что бомбардировке ускоренными электронами могут быть подвергнуты атомарные или атомарно-молекулярные потоки, которые зависят от типа используемого материала и его соединений, конструкции источника материала и условий эксперимента.
-4
Способ ионизации атомарных или молекулярных потоков реализован в устройстве, представленном на чертеже. Устройство ионизации располагается внутри камеры с вакуумом не хуже 10 Па между источником атомарного или молекулярного потока и образцом, на который ведется осаждение материала из источника. Источником может служить электронно-лучевой испаритель, эффузионная ячейка (тигель), газовый источник и др. Устройство ионизации содержит: катод (1), выполненный в виде вольфрамовой спирали; расположенный внутри катода (1) цилиндрический анод (2), выполненный из металлической сетки для свободного прохождения через него потока атомов или молекул и электронов; ускоряющую сетку (3), расположенную над верхним основанием анода (2); экранирующие электроды (4) и (5), расположенные в основаниях катода (1); и экран (6), окружающий катод (1). Конструктивные размеры анода (2), катода (1) и всего устройства в целом определяются шириной ионизируемого атомарного или молекулярного потока. Анод (2) может иметь закрытые сетками основания, находящиеся также под потенциалом анода, для снижения разброса по энергиям ионов. Устройство также может содержать отражающую сетку (7), расположенную под нижним основанием анода (2), для снижения потерь ионизирующих электронов. Все электроды устройства, являющиеся несущими элементами анода (2), ускоряющей сетки (3), отражающей сетки (7), а также экранирующие электроды (4) и (5), выполнены в виде пластин с отверстием в центральной части, обеспечивающим свободное прохождение потока ионизируемых атомов или молекул.
Устройство работает следующим образом.
K
e
A
A
e
Поток ионизируемых атомов или молекул пропускается через анод (2), выполненный в виде цилиндра из сетки, в направлении ускоряющей сетки (3). Проходя вдоль оси анода (2), атомы или молекулы подвергаются поперечной бомбардировке электронами, возникающими вследствие термической эмиссии за счет пропускания тока через катод (1) под действием приложенного к нему напряжения U и ускоренными в направлении анода (2) за счет приложенной к катоду (1) и аноду (2) разности потенциалов U. Анод (2) имеет положительный потенциал U величиной от десятков вольт до нескольких киловольт, а катод (1) имеет потенциал ниже анодного (U-U), как минимум, на величину, определяемую энергией ионизации атомов или молекул, или ниже, вплоть до нулевого значения. Электроны, попавшие в зону ионизации, ограниченную внутри анода (2), и обладающие достаточной энергией, могут участвовать в процессе ионизации атомов или молекул. Электроны, не испытавшие соударения с атомами или молекулами, вновь возвращаются в зону ионизации, отразившись от границы области, определяемой потенциальным барьером между анодом (2) и катодом (1). Таким образом, электроны осциллируют внутри анода (2) до полного торможения.
A
K
e
Вылетевшие из зоны ионизации ионы ускоряются в промежутке между анодом (2) и ускоряющей сеткой (3), находящейся под нулевым потенциалом. Энергия ионов определяется величиной ускоряющего напряжения U, приложенного на анод (2), и может достигать нескольких кэВ и более (ограничена напряжением пробоя). Степенью ионизации атомарного или молекулярного потока можно управлять за счет изменения тока, проходящего через катод (1), изменяя U, и разности потенциалов U между анодом (2) и катодом (1).
Экранирующие электроды (4) и (5), находящиеся под свободным потенциалом или потенциалом катода (1) и расположенные в его основаниях, снижают потери ионизирующих электронов и предотвращают бомбардировку электронами элементов конструкции, находящихся под более высоким потенциалом относительно потенциала катода (1). Электроны, покинувшие зону ионизации в направлениях оснований анода (2), возвращаются обратно под действием потенциальных барьеров, созданных ускоряющей сеткой (3) и отражающей сеткой (7), находящихся под нулевым потенциалом. Экран (6), окружающий катод (1), предотвращает распыление вольфрама из катода (1) в объем вакуумной камеры.
Устройство характеризуется низким уровнем потерь ионов и электронов на электродах, возможностью формирования ионно-атомарных или ионно-молекулярных пучков со степенью ионизации от долей процента до десятков процентов и малым разбросом по энергии ионов.
Использование настоящего изобретения по сравнению с существующими обеспечивает повышение эффективности и однородности ионизации атомарных или молекулярных потоков и уменьшение распределения по энергиям ионов. Кроме этого настоящее изобретение позволяет независимо контролировать степень ионизации атомарного или молекулярного потока и энергию ионов, варьируя током катода и потенциалами анода и катода, а также позволяет повысить кратность ионизации за счет увеличения анод-катодной разности потенциалов.