RU2370849C1 - Method for ionisation of atomic or molecular flows and device for its realisation - Google Patents
Method for ionisation of atomic or molecular flows and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2370849C1 RU2370849C1 RU2008124917/28A RU2008124917A RU2370849C1 RU 2370849 C1 RU2370849 C1 RU 2370849C1 RU 2008124917/28 A RU2008124917/28 A RU 2008124917/28A RU 2008124917 A RU2008124917 A RU 2008124917A RU 2370849 C1 RU2370849 C1 RU 2370849C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- atoms
- potential
- molecules
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
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).The invention relates to electronics and can be used for ionization of atomic or molecular flows and the formation of ion beams in semiconductor technology in the field of molecular beam epitaxy (MBE).
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.A known method of ionization of atoms (Vyalov GN Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences. The method of ionization of atoms and a device for its implementation. - RF Patent No. 2068597, publ. 10.27.1996). The method of atomic ionization is that atoms are bombarded by accelerated electrons with an energy exceeding the binding energy of the electrons in the atomic shell, when the electrons in the longitudinal magnetic field repeatedly pass through the region of interaction with ionized atoms due to the reflection of electrons from the boundaries of the ionization region, and the ionized atoms undergo additional exposure to ionizing electrons during the multiple passage of ionized atoms through the interaction region.
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.This method of ionization of atoms is implemented in a device (RF Patent No. 2068597, publ. 10/27/1996), which contains a cathode, anticathode and anode located symmetrically between them. The device also contains: symmetrically arranged reflecting electrodes, limiting the ends of the volume of the discharge chamber; braking electrodes located between the reflecting electrodes and, respectively, the cathode and anticathode; forming electrodes located between the braking electrodes and, respectively, the cathode and anticathode. The cathode, anticathode, braking and forming electrodes are made in the form of plates with holes for the passage of ions and electrons. This device provides for the bombardment of atoms by accelerated electrons with an energy exceeding the binding energy of electrons in the atomic shell, and the electrons and ions repeatedly pass through the interaction region due to reflection from the boundaries of the ionization region.
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.The main disadvantage of the known method of ionization of atoms and the device for its implementation is the large spread of the ion energy distribution. The disadvantages also include the impossibility of using it to ionize directed atomic flows.
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.Closest to the proposed invention is a technical solution (Oberbeck L., Bergmann RB Electronic properties of silicon epitaxial layers deposited by ion-assisted deposition at low temperatures. - J. Appl. Phys., V. 88, No. 5, 2000), where The method of ionizing atomic or molecular flows is used in high vacuum molecular beam epitaxy units. The method includes bombarding atoms with accelerated electrons with an energy exceeding the binding energy of valence electrons in the shell. In this method, a stream of atoms or molecules passing through the plane of a toroidal cathode is bombarded by accelerated electrons flying perpendicular to the stream of atoms or molecules. Bombarding electrons result from thermal emission from a toroidal tungsten cathode heated by passing current through it. The acceleration of electrons in the plane of the cathode is provided due to the potential difference distributed over the cathode due to the voltage applied to it. Ionized atoms or molecules are accelerated in the direction of the sample, on which the material is deposited from the atomic or molecular flow, due to the negative potential applied to the accelerating grid located between the cathode and the sample, and the sample is also under the accelerating potential to ensure the preservation of the given ion energy, equal to the potential of the accelerating grid. The value of the accelerating potential is set based on the required ion energy and lies in the range from tens to thousands of volts or more. The atomic or molecular flow source is an electron beam evaporator, an effusion cell, or a gas source.
Устройство ионизации атомарных или молекулярных потоков располагается в камере с вакуумом не хуже 10-4 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.The ionization device for atomic or molecular flows is located in a chamber with a vacuum of no worse than 10 -4 Pa between the source of the atomic or molecular stream and the sample on which the material is deposited from the source. The ionization device provides partial ionization of an atomic or molecular stream with a degree of ionization of the order of 1%. An atomic or molecular ionization device comprises: a toroidal cathode made of tungsten; a screen surrounding the cathode and an accelerating grid located between the cathode and the sample. When current is passed through the cathode, thermal emission of electrons occurs, which are accelerated from one section of the cathode to another due to the potential difference distributed over the cathode due to a voltage of about 20-30 V applied to it. Atoms or molecules passing through the plane of the cathode are bombarded by electrons flying in the direction perpendicular to the movement of atoms or molecules. Ionized atoms or molecules are accelerated in the direction of the sample due to the negative potential applied to the accelerating grid located above the cathode from the side of the sample. The acceleration of atoms or molecules occurs in the area between the plane of the cathode and the accelerating grid, and to ensure the preservation of the given ion energy, the sample is also under the accelerating grid potential. The screen surrounding the cathode along the outer perimeter above and below prevents tungsten from being sprayed from the cathode into the volume of the vacuum chamber on the sample and on the atomic or molecular flow source.
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.The disadvantages of the known method of ionizing atomic or molecular flows and a device for its implementation are the heterogeneity of the ionization of the atomic or molecular flow due to the uneven distribution of the accelerating potential for electrons in the plane of the cathode, as well as low efficiency due to the small volume of the region of interaction of electrons with the atomic or molecular flow. Another disadvantage is that the accelerating potential for ions must be applied to the sample, which is not always provided technically feasible. In addition, to preserve the energy specified by the ions, it is necessary that between the accelerating network and the sample under the same negative potential, the field is uniform, but due to the presence in the vacuum chamber of other components related to the equipment of the MBE system and, as a rule, under zero potential, it is possible that the electric field is distorted in the section of the accelerating grid-sample, which can further worsen the uniformity of the ion flux and increase the spread in ion energies.
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.The technical result of the invention is to increase the efficiency and uniformity of ionization by increasing the number of collisions of electrons with ionized atoms or molecules and increasing the uniformity of the distribution of electron density in the ionized volume, as well as reducing the spread in ion energies by creating a narrow zone for their acceleration.
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.The technical result is achieved in a method of ionizing atomic or molecular flows, namely, that the flow of atoms or molecules is bombarded by electrons flying perpendicular to the flow of atoms or molecules, with an energy exceeding the binding energy of valence electrons in the atomic shell, moreover, to obtain bombarding electrons through the cathode pass a current of a given magnitude, and a stream of atoms or molecules is passed inside the cylindrical anode along its axis, while the bombarding electrons accelerate in the direction SRI anode, and they repeatedly undergo interaction region with atoms or molecules due to reflection from the boundaries on the potential barrier generated due to anode-cathode potential difference.
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.In the method of ionizing atomic or molecular flows, ions are accelerated by supplying a potential to the anode, and a zero potential is applied to the accelerating grid located above the anode.
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.The technical result is achieved in an atomic or molecular ionization device placed in a vacuum chamber above an atomic or molecular source and containing a cathode and a screen surrounding the cathode around the perimeter, the cathode has a spiral shape, inside of which there is a cylindrical anode made of a metal grid, above the upper base an accelerating grid is placed on the anode, and shielding electrodes are located above the upper and lower cathode bases, to which the cathode potential is applied or left under free sweat tial.
В устройстве под нижним основанием анода расположена отражающая сетка, на которую подают нулевой потенциал.In the device under the lower base of the anode is a reflective grid, which serves zero potential.
В устройстве верхнее и нижнее основания анода закрыты сетками.In the device, the upper and lower bases of the anode are covered with grids.
В устройстве верхнее и нижнее основания анода закрыты сетками, и под нижним основанием анода расположена отражающая сетка, на которую подают нулевой потенциал.In the device, the upper and lower bases of the anode are covered with grids, and under the lower base of the anode there is a reflective grid, to which zero potential is applied.
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.In the device, the electrodes, which are the supporting elements of the anode, accelerating grid, reflective grid and shielding electrodes, are made in the form of plates with a hole for the passage of the flow of ionized atoms or molecules.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом.The invention is illustrated by the following description and drawing.
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.The drawing shows a diagram of a device for the ionization of atomic or molecular flows. On the diagram of the device for ionization of atomic or molecular flows are presented: 1 - cathode; 2 - anode; 3 - accelerating grid; 4, 5 - shielding electrodes; 6 - screen; 7 - reflective grid.
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.The method of ionizing atomic or molecular flows involves multiple bombardment of atoms or molecules by accelerated electrons, the flow of ionized atoms or molecules passing inside the anode along its axis, and multiple bombardment by electrons in the transverse direction due to the spiral tungsten cathode surrounding the anode. The anode is made in the form of a cylinder of a metal grid for free passage of atoms or molecules and electrons through it, and the electrons repeatedly pass through the ionization region, being reflected from the boundary of the region determined by the potential barrier created by the anode-cathode potential difference. The acceleration of ions occurs in a short section due to the anode potential and is carried out using an accelerating grid located above the anode and located at zero potential.
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).The ionization method of atomic or molecular flows is used in high vacuum installations. The method consists in bombarding a directed flow of atoms or molecules by accelerated electrons with an energy exceeding the binding energy of valence electrons in the atomic shell. In this method, a stream of atoms or molecules is fed into the cylindrical anode in the direction of the accelerating grid and, passing along its axis, is bombarded by electrons flying perpendicular to the stream of atoms or molecules. Bombarding electrons are formed due to thermal emission due to the passage of current through a tungsten cathode located around the anode, and are accelerated in the direction of the anode due to the anode-cathode potential difference, the anode being at a positive potential lying in the range from tens of volts to several kilovolts, and the cathode has a potential below the anode, at least an amount determined by the ionization energy of atoms or molecules, or lower, up to zero. Electrons repeatedly pass through the region of interaction with atoms or molecules due to reflection from the boundaries at the potential barrier created by the anode-cathode potential difference. Ionized atoms or molecules, leaving the anode, acquire additional acceleration due to the anode potential. The acceleration of ions occurs in a very short section using an accelerating grid located directly above the anode and located at zero potential, which ensures maximum ionic energy uniformity. The degree of ionization of an atomic or molecular stream depends on the magnitude of the current passing through the cathode, and on the potential difference between the anode and cathode, as well as on the density of the ionized atomic or molecular stream. The ion energy is determined by the potential of the anode and can reach several keV or more (limited by the breakdown voltage).
Примеры реализации способаMethod implementation examples
Устройство ионизации располагается в высоковакуумной камере молекулярно-лучевой эпитаксии с остаточным давлением 10-6 Па над эффузионной ячейкой (тиглем) германия, обеспечивающей плотность молекулярного потока германия 7×1014 см-1. 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.The ionization device is located in a high-vacuum chamber of molecular beam epitaxy with a residual pressure of 10 -6 Pa above the germanium effusion cell (crucible), providing a germanium molecular flux density of 7 × 10 14 cm -1 . The aperture of the effusion cell is 5 mm. The diameter of the anode of the ionization device is 16 mm, the height is 16 mm, the anode has a bottom base closed by a grid. The cathode contains 5 turns of a tungsten wire with a diameter of 0.3 mm, a pitch of a coil of 2.4 mm, a diameter of a coil of 20 mm. The accelerating grid is located above the anode at a distance of 2.5 mm. The shielding electrodes and the screen are under free potential, there is no reflective grid. The molecular flow of germanium from the crucible passes through a cylindrical anode in the direction of the accelerating grid, where it undergoes ionization. Ge + ions accelerated by the anodic potential, together with the main molecular flow, fall on a sample located above the ionization device at a distance of about 30 cm.
Пример 1.Example 1
Напряжение на катоде UK=24 В, ток катода 6 А, потенциал анода UA=200 В, потенциал катода UA-Ue=0 В. Энергия ионов Ge составляет 200 эВ, степень ионизации молекулярного потока 0,24%.The voltage at the cathode U K = 24 V, the cathode current 6 A, the anode potential U A = 200 V, the cathode potential U A -U e = 0 V. The energy of Ge ions is 200 eV, the degree of ionization of the molecular flow is 0.24%.
Пример 2.Example 2
Напряжение на катоде UK=24 В, ток катода 7 А, потенциал анода UA=200 В, потенциал катода UA-Ue=0 В. Энергия ионов Ge составляет 200 эВ, степень ионизации молекулярного потока 0,54%.The voltage at the cathode U K = 24 V, the cathode current 7 A, the anode potential U A = 200 V, the cathode potential U A -U e = 0 V. The energy of Ge ions is 200 eV, the degree of ionization of the molecular flow is 0.54%.
Пример 3.Example 3
Напряжение на катоде UK=24 В, ток катода 7 А, потенциал анода UA=1000 В, потенциал катода UA-Ue=0 В. Энергия ионов Ge составляет 1000 эВ, степень ионизации молекулярного потока 12%.The voltage at the cathode U K = 24 V, the cathode current 7 A, the anode potential U A = 1000 V, the cathode potential U A -U e = 0 V. The energy of Ge ions is 1000 eV, the degree of ionization of the molecular flow is 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.It should be noted that atomic or atomic-molecular flows can be bombarded with accelerated electrons, which depend on the type of material used and its compounds, the design of the material source and the experimental conditions.
Способ ионизации атомарных или молекулярных потоков реализован в устройстве, представленном на чертеже. Устройство ионизации располагается внутри камеры с вакуумом не хуже 10-4 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.The ionization method of atomic or molecular flows is implemented in the device shown in the drawing. The ionization device is located inside the chamber with a vacuum of no worse than 10 -4 Pa between the source of atomic or molecular flow and the sample on which the material is deposited from the source. The source may be an electron beam evaporator, an effusion cell (crucible), a gas source, etc. The ionization device contains: a cathode (1) made in the form of a tungsten spiral; a cylindrical anode (2) located inside the cathode (1), made of a metal mesh for free passage through it of a stream of atoms or molecules and electrons; an accelerating grid (3) located above the upper base of the anode (2); shielding electrodes (4) and (5) located in the bases of the cathode (1); and a shield (6) surrounding the cathode (1). The structural dimensions of the anode (2), cathode (1) and the entire device as a whole are determined by the width of the ionized atomic or molecular flow. The anode (2) can have bases covered by nets, which are also under the potential of the anode, to reduce the spread in ion energies. The device may also contain a reflective grid (7) located under the lower base of the anode (2) to reduce the loss of ionizing electrons. All electrodes of the device, which are the supporting elements of the anode (2), accelerating mesh (3), reflecting mesh (7), as well as shielding electrodes (4) and (5), are made in the form of plates with an opening in the central part, providing free passage of flow ionizable atoms or molecules.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
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 UK и ускоренными в направлении анода (2) за счет приложенной к катоду (1) и аноду (2) разности потенциалов Ue. Анод (2) имеет положительный потенциал UA величиной от десятков вольт до нескольких киловольт, а катод (1) имеет потенциал ниже анодного (UA-Ue), 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.The flow of ionized atoms or molecules is passed through the anode (2), made in the form of a cylinder from a grid, in the direction of the accelerating grid (3). Passing along the axis of the anode (2), atoms or molecules are transversely bombarded by electrons arising from thermal emission due to the passage of current through the cathode (1) under the action of a voltage U K applied to it and accelerated in the direction of the anode (2) due to the applied to the cathode (1) and the anode (2) of the potential difference U e . The anode (2) has a positive potential U A ranging from tens of volts to several kilovolts, and the cathode (1) has a potential lower than the anode (U A -U e ) by at least an amount determined by the ionization energy of atoms or molecules, or lower, up to zero. Electrons falling into the ionization zone bounded inside the anode (2) and having sufficient energy can participate in the ionization of atoms or molecules. Electrons that have not experienced collisions with atoms or molecules again return to the ionization zone, reflecting off the boundary of the region defined by the potential barrier between the anode (2) and the cathode (1). Thus, the electrons oscillate inside the anode (2) until complete deceleration.
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 UA, 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 UK, и разности потенциалов Ue между анодом (2) и катодом (1).Ions escaping from the ionization zone are accelerated in the gap between the anode (2) and the accelerating grid (3), which is at zero potential. The ion energy is determined by the value of the accelerating voltage U A applied to the anode (2), and can reach several keV or more (limited by the breakdown voltage). The degree of ionization of the atomic or molecular flow can be controlled by changing the current passing through the cathode (1), changing U K , and the potential difference U e between the anode (2) and the cathode (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.Shielding electrodes (4) and (5), located under the free potential or potential of the cathode (1) and located at its bases, reduce the loss of ionizing electrons and prevent the bombardment by electrons of structural elements that are at a higher potential relative to the potential of the cathode (1). The electrons that leave the ionization zone in the directions of the anode bases (2) return back under the action of potential barriers created by the accelerating network (3) and the reflecting network (7), which are at zero potential. The shield (6) surrounding the cathode (1) prevents tungsten from being sprayed from the cathode (1) into the volume of the vacuum chamber.
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.The device is characterized by a low level of loss of ions and electrons on the electrodes, the possibility of forming ion-atomic or ion-molecular beams with a degree of ionization from a fraction of a percent to tens of percent and a small spread in ion energy.
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.The use of the present invention in comparison with existing ones provides an increase in the efficiency and uniformity of ionization of atomic or molecular flows and a decrease in the energy distribution of ions. In addition, the present invention allows independent control of the degree of ionization of the atomic or molecular flow and ion energy, varying the cathode current and the potentials of the anode and cathode, and also allows to increase the ionization ratio by increasing the anode-cathode potential difference.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008124917/28A RU2370849C1 (en) | 2008-06-18 | 2008-06-18 | Method for ionisation of atomic or molecular flows and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008124917/28A RU2370849C1 (en) | 2008-06-18 | 2008-06-18 | Method for ionisation of atomic or molecular flows and device for its realisation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2370849C1 true RU2370849C1 (en) | 2009-10-20 |
Family
ID=41263074
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008124917/28A RU2370849C1 (en) | 2008-06-18 | 2008-06-18 | Method for ionisation of atomic or molecular flows and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2370849C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1158239A (en) * | 1968-07-11 | 1969-07-16 | Alsthom Cgee | Improvements in and relating to Ion Sources. |
| RU2022392C1 (en) * | 1992-01-21 | 1994-10-30 | Институт энергетических проблем химической физики РАН | Oxygen or halogen negative ion source |
| RU2068597C1 (en) * | 1994-03-16 | 1996-10-27 | Институт ядерных исследований РАН | Method for atom ionization and device which implements said method |
-
2008
- 2008-06-18 RU RU2008124917/28A patent/RU2370849C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1158239A (en) * | 1968-07-11 | 1969-07-16 | Alsthom Cgee | Improvements in and relating to Ion Sources. |
| RU2022392C1 (en) * | 1992-01-21 | 1994-10-30 | Институт энергетических проблем химической физики РАН | Oxygen or halogen negative ion source |
| RU2068597C1 (en) * | 1994-03-16 | 1996-10-27 | Институт ядерных исследований РАН | Method for atom ionization and device which implements said method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 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. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101464484B1 (en) | Plasma electron flood for ion beam implanter | |
| JP5872541B2 (en) | Improved ion source | |
| US4684848A (en) | Broad-beam electron source | |
| JP5212760B2 (en) | Ion source for ion implanter and repeller therefor | |
| TWI648761B (en) | An improved ion source assembly for producing a ribbon ion beam | |
| US3786359A (en) | Ion accelerator and ion species selector | |
| Gavrilov et al. | Development of technological sources of gas ions on the basis of hollow-cathode glow discharges | |
| Kazakov et al. | Broad-beam plasma-cathode electron beam source based on a cathodic arc for beam generation over a wide pulse-width range | |
| Faircloth | Ion sources for high-power hadron accelerators | |
| Reich et al. | Metal vapor vacuum arc ion source development at GSI | |
| JP2002515634A (en) | Ion beam apparatus and method for neutralizing space charge of ion beam | |
| Dudnikov | Methods of negative ion production | |
| CN114258182B (en) | Cusp field ion source and ion beam generating method | |
| Gavrilov et al. | High-current pulse sources of broad beams of gas and metal ions for surface treatment | |
| KR20190092308A (en) | Charged-particle source and method for cleaning a charged-particle source using back-sputtering | |
| Pitchford | Electron‐beam generation during the hollow cathode phase of pseudospark discharges | |
| Franzen et al. | Status of the ELISE test facility | |
| RU2370849C1 (en) | Method for ionisation of atomic or molecular flows and device for its realisation | |
| Hollinger et al. | Development of a vacuum arc ion source for injection of high current uranium ion beam into the UNILAC at GSI | |
| JP2004055390A (en) | Ion source | |
| Kuroda | Development of high current negative ion source | |
| Oks et al. | Electron beam extraction from a broad-beam vacuum-arc metal plasma source | |
| RU2496283C1 (en) | Generator of wide-aperture flow of gas-discharge plasma | |
| Jacquot et al. | Negative ion production in large volume source with small deposition of cesium | |
| Spädtke | Beam formation and transport |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180619 |