Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов

Проведены исследования процессов формирования пучка ионов при применении в геликонном источнике экстрактора с изолированной апертурой экстракции, которая находится под плавающим потенциалом плазмы. За счет изменения конфигурации электрических и магнитных полей в области экстракции возникают условия,...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Шульга, Д.П., Мордик, С.Н., Мирошниченко, В.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Теми:	Приложения и технологии
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17367
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов / Д.П. Шульга, С.Н. Мордик, В.И. Мирошниченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 369-372. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17367
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-173672025-02-09T16:26:22Z Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов Високояскравісна система екстракції геліконного джерела іонів High-brightness extraction system of the helicon ion source Шульга, Д.П. Мордик, С.Н. Мирошниченко, В.И. Приложения и технологии Проведены исследования процессов формирования пучка ионов при применении в геликонном источнике экстрактора с изолированной апертурой экстракции, которая находится под плавающим потенциалом плазмы. За счет изменения конфигурации электрических и магнитных полей в области экстракции возникают условия, которые позволяют увеличить приосевую яркость до уровня 300 А/м²•рад²•эВ. Проведено дослідження процесів формування пучка іонів при застосуванні в геліконному джерелі екстрактора з ізольованою апертурою екстракції, яка перебуває під плаваючим потенціалом плазми. За рахунок зміни конфігурації електричних і магнітних полів в області екстракції виникають умови, які дозволяють збільшити приосьову яскравість до рівня 300 А/м²•рад²•еВ. Ion beam forming processes were studied when extractor with isolated aperture being under the floating plasma potential was used in the helicon source. Conditions allowing paraxial brightness to be increased up to 300 A/m²rad²eV appear due to changes in electric and magnetic field configurations in the extraction area. 2010 Article Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов / Д.П. Шульга, С.Н. Мордик, В.И. Мирошниченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 369-372. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17367 537.534.2 ru application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Приложения и технологии Приложения и технологии
spellingShingle	Приложения и технологии Приложения и технологии Шульга, Д.П. Мордик, С.Н. Мирошниченко, В.И. Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
description	Проведены исследования процессов формирования пучка ионов при применении в геликонном источнике экстрактора с изолированной апертурой экстракции, которая находится под плавающим потенциалом плазмы. За счет изменения конфигурации электрических и магнитных полей в области экстракции возникают условия, которые позволяют увеличить приосевую яркость до уровня 300 А/м²•рад²•эВ.
format	Article
author	Шульга, Д.П. Мордик, С.Н. Мирошниченко, В.И.
author_facet	Шульга, Д.П. Мордик, С.Н. Мирошниченко, В.И.
author_sort	Шульга, Д.П.
title	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
title_short	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
title_full	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
title_fullStr	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
title_full_unstemmed	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
title_sort	высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Приложения и технологии
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17367
citation_txt	Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов / Д.П. Шульга, С.Н. Мордик, В.И. Мирошниченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 369-372. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT šulʹgadp vysokoârkostnaâsistemaékstrakciigelikonnogoistočnikaionov AT mordiksn vysokoârkostnaâsistemaékstrakciigelikonnogoistočnikaionov AT mirošničenkovi vysokoârkostnaâsistemaékstrakciigelikonnogoistočnikaionov AT šulʹgadp visokoâskravísnasistemaekstrakcíígelíkonnogodžerelaíonív AT mordiksn visokoâskravísnasistemaekstrakcíígelíkonnogodžerelaíonív AT mirošničenkovi visokoâskravísnasistemaekstrakcíígelíkonnogodžerelaíonív AT šulʹgadp highbrightnessextractionsystemoftheheliconionsource AT mordiksn highbrightnessextractionsystemoftheheliconionsource AT mirošničenkovi highbrightnessextractionsystemoftheheliconionsource
first_indexed	2025-11-27T22:53:20Z
last_indexed	2025-11-27T22:53:20Z
_version_	1849985865805201408
fulltext	ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (7), с. 369-372. 369 УДК 537.534.2 ВЫСОКОЯРКОСТНАЯ СИСТЕМА ЭКСТРАКЦИИ ГЕЛИКОННОГО ИСТОЧНИКА ИОНОВ Д.П. Шульга, С.Н. Мордик, В.И. Мирошниченко Институт прикладной физики НАН Украины, Сумы, Украина E-mail: mordyk@ipflab.sumy.ua Проведены исследования процессов формирования пучка ионов при применении в геликонном источни- ке экстрактора с изолированной апертурой экстракции, которая находится под плавающим потенциалом плазмы. За счет изменения конфигурации электрических и магнитных полей в области экстракции возника- ют условия, которые позволяют увеличить приосевую яркость до уровня 300 А/м2·рад2·эВ. 1. ВВЕДЕНИЕ Установки, которые используют сфокусирован- ные ионные пучки, являются одним из основных инструментов в материаловедении и полупроводни- ковой индустрии благодаря огромному количеству современных приложений, таких как подготовка об- разцов в трансмиссионной электронной микроско- пии, фабрикация микроструктур и осаждение пленок в газовой среде, восстановление маски и микрообра- ботка, сканирующая ионная микроскопия, прямая пучковая литография и др. Одной из наиболее слож- ных задач в материаловедении в настоящее время яв- ляется создание недорогих методов получения и об- работки наноструктурных материалов. Среди мето- дов, которые активно развиваются для производства наноструктур, особое место занимают ионно- имплантационная нанотехнология и ионно-пучковая нанолитография с использованием сфокусированных пучков мегаэлектронвольтных энергий. Такие пучки формируются в ядерном сканирующем микрозонде (ЯСМЗ), принадлежащем к классу аппаратурных комплексов, которые используются для проведения локального неразрушающего анализа структуры и элементного состава как твердых тел, так и биологи- ческих объектов. Причем возможности использова- ния микрозондов чрезвычайно сильно зависят от их пространственной разрешающей способности. При облучении исследуемых образцов в ЯСМЗ возникает необходимость в создании прецизионных пучков с заданными свойствами (размером, интенсивностью, дозой облучения, массовым и зарядовым составом пучка). Качество пучка и его свойства в основном оп- ределяются параметрами ионного источника. Для по- вышения разрешающей способности установок и по- лучения прецизионных ионных пучков необходимо использовать источники ионов с высокой яркостью. Поскольку величина яркости пучка ионов прямо пропорциональна плотности плазмы [1], то возможно повысить яркость источника ионов путем создания в ВЧ-источнике плазмы высокой плотности и вытяги- вания пучка с высокой плотностью ионного тока. В то же время ионная температура должна быть низкой, чтобы получать ионные пучки с малым разбросом по импульсу и малым эмиттансом. Средством, оказы- вающим содействие как проникновению ВЧ-полей в плазму, так и удержанию частиц, что, в свою очередь, увеличивает плотность плазмы, является внешнее стационарное магнитное поле, которое используется в геликонных источниках ионов [2-4]. Повышение плотности плазмы является необхо- димым, но не достаточным условием повышения яркости пучка. При увеличении плотности плазмы возникает необходимость в повышении вытягиваю- щего напряжения, а также в обеспечении фокуси- ровки пучка в системе экстракции для минимизации потерь пучка. Полный ток пучка в значительной степени зависит от пропускной способности канала экстракции, эмиттанс – от геометрических размеров системы экстракции и аберраций ионно-оптической системы формирования пучка. 2. ГЕЛИКОННЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ В ИПФ НАН Украины разработан ВЧ-источник ионов (Рис.1), который состоит из плазменного гене- ратора, работающего в геликонном диапазоне частот peceLHci ωωωωω <<<<<<< , где MeBci /0=ω – ионно-циклотронная частота; 21 0 2 )/( menepe εω = – плазменная ионная частота; ωLH – нижнегибридная частота, ≈+= − 212])/(1[ cepepiLH ωωωω ( )1/2 ce ciω ω ; компактной магнитной системы с постоянными маг- нитами круговой формы, создающей продольное магнитное поле специальной конфигурации, и уст- ройства формирования пучка ионов (система экс- тракции и позиционируемая выходная апертура ис- точника). Рис.1. Схема геликонного источника ионов: 1 - газоразрядная камера; 2 - винтовая антенна; 3 - магнитная система; 4 - отверстие для напуска газа; 5, 6 - система электродов Выходная апертура предназначена для формиро- вания эмиттанса с максимальной дифференциальной фазовой плотностью. Положение и размер апертуры определялись при помощи численного моделирова- ния оптики с учетом нелинейной динамики пучка. Разрядная колба изготовлена из кварца и имеет 370 внешний диаметр 30 мм и длину 260 мм. ВЧ-поле образуется при помощи винтовой антенны, которая состоит из 4 витков медной трубки диаметром 4 мм. Конструкция магнитной системы определялась с обеспечением следующих условий: 1) величина и структура магнитного поля должны способствовать эффективному поглощению ВЧ-мощности плазмой; 2) должна быть компактной; 3) производить мини- мальное увеличение эмиссионного нормализованно- го эмиттанса. Магнитное поле фокусирует пучок ионов, препятствуя попаданию их на другие элек- троды, увеличивает среднюю продолжительность пребывания электронов в межэлектродном про- странстве и тем самым усиливает ионизацию. Маг- нитное поле влияет также на диффузию заряженных частиц в перпендикулярном направлении. Исполь- зование магнитных полей в области системы вытя- гивания приводит к увеличению экстрагированного ионного тока благодаря увеличению концентрации плазмы вблизи канала экстракции и компенсации сил пространственного заряда ионного пучка, что улучшает его фокусирование [5]. В ограниченной плазме, которая находится в ци- линдрическом объеме во внешнем магнитном поле, возбуждаются собственные электромагнитные коле- бания. В низкочастотной области существуют две моды колебаний: электромагнитная геликонная вол- на и электростатическая волна Трайвелпис-Гоулда (ТГ-волна). ВЧ-антенна возбуждает в плазме гели- конное поле, которое слабо поглощается плазмой. Геликонная волна, в свою очередь, становится ис- точником возбуждения ТГ-волны, энергия которой хорошо поглощается плазмой в результате элек- тронных столкновений. Дисперсионное волновое уравнение в геликонном диапазоне частот [6] , cos 1cos 222 22 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + = θω ν ω θωω ce e pe ce i ck ck где ω, ωce и ωpe – рабочая, электронно-цикло- тронная и плазменная частоты; νe – частота элек- тронных столкновений; k – полное волновое число, которое равняется 2/122 )( rz kkk += ; kz – продольное волновое число; kr – поперечное волновое число; і – мнимая единица; θ – угол распространения волны относительно внешнего магнитного поля 0B r ( kk z /cos =θ ). 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА В ИПФ НАН Украины разработана, изготовлена и отлажена установка, позволяющая производить экспрессные измерения фазовых характеристик, эмиттанса, яркости, полного тока, профиля тока, энергетического разброса и массового состава пучка ионов, извлекаемого из источника ионов, а также плазменных параметров: плотности плазмы и тем- пературы электронов [7, 8]. Данная установка по- зволяет производить диагностику источников ионов, используемых в микрозондах, имплантерах, лито- графах, ускорителях ионов, в частности, решать за- дачу выбора высокояркостных режимов работы ВЧ- источника ионов. Результаты таких исследований позволяют определить перспективные направления модернизации ВЧ-источников ионов, используемых для получения высокоэнергетичных ионных микро- пучков. ВЧ-система питания, состоящая из задающего генератора (fвч=27.12 МГц), усилителя мощности «Acom-1000» и согласующего устройства, обеспе- чивает регулируемую выходную мощность до 400 Вт в непрерывном режиме. Измерение средней плотности плазмы ВЧ-источника проводилось 8 мм СВЧ-интерферометром [8]. В интерферометре, по- строенном по схеме Маха-Цендера, применяется гомодинное преобразование частоты СВЧ- генератора в результате ее модуляции пилообраз- ным напряжением. Измерение эмиттанса произво- дилось методом диафрагмирования с частичным ин- тегрированием при механическом сканировании вертикальным проволочным зондом. Пластина с от- верстиями может выводиться из зоны измерений, что позволяет производить измерения профиля и полного тока пучка, измеряемого с помощью ци- линдра Фарадея. Измерения массового состава пуч- ка осуществлялось фильтром Вина, разрешающая способность которого имеет величину Mi /∆M =100. Данный прибор является классическим фильтром Вина с параллельными полюсами электромагнита. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭКСТРАКЦИИ Качество пучка зависит от величины тока и раз- мера области, которая эмиттирует ионы, т.е. от плотности тока пучка. Максимальная плотность то- ка, которая может быть достигнута для любого сор- та заряженных частиц, ускоренных электрическим полем, определяется из условия ограничения тока пространственным зарядом и описывается законом Чайлда-Ленгмюра. Ток, извлеченный из ионного ис- точника, зависит от различных параметров: вытяги- вающего напряжения, геометрии экстракции, плот- ности плазмы, которая, в свою очередь, зависит от ВЧ-мощности, давления газа и магнитного поля. На Рис.2 приведена зависимость тока пучка ионов гелия от напряжения экстракции и ВЧ-мощности для геликонного источника ионов (p=0,5 Па). Рис.2. Зависимость тока гелиевого пучка от напряжения экстракции и ВЧ-мощности для стабильного режима работы геликонного источника ионов 371 Как видно из рисунка, измеренный ионный ток выше необходимого тока для режима работы уско- рительного микрозонда (0.1…10 мкА). Уменьшение ионного тока (при постоянной плотности тока) мо- жет быть достигнуто при использовании выходной апертуры или за счет уменьшения диаметра эмисси- онного отверстия при фиксированных других пара- метрах структуры экстракции [9]. Поскольку довольно сложно получить высокую яркость при простом уменьшении диаметра отвер- стия экстракции, то преодоление этого препятствия возможно вследствие регулирования поверхности ионной эмиссии не вытягивающим напряжением, а «плавающим потенциалом», который образуется на дополнительно введенном изолированном электро- де. Для этого был использован специально изготов- ленный экстрактор с отверстием 0,6 мм. Металличе- ская апертура экстракции отделена от плазменного электрода кварцевым диском (Рис.3). Для такого экстрактора была рассчитана картина электростати- ческого поля и построены эквипотенциальные ли- нии в канале экстракции. Рис.3. Система экстракции с апертурой под плавающим потенциалом Размещенное в плазме изолированное тело (в нашем случае апертура) вследствие того, что скоро- сти электронов существенным образом превосходят скорости ионов, заряжается до некоторого отрица- тельного равновесного или плавающего потенциала. При плавающем потенциале количество ионов и электронов, которые попадают на тело, уравнивает- ся, поскольку к нему могут доходить лишь наиболее быстрые электроны и практически все ионы. Изоли- рованная апертура приобретает отрицательный за- ряд. Вокруг нее образуется область положительного пространственного заряда (ее ширина по порядку величины равняется дебаевскому радиусу), которая экранирует плазму от зонда. Были измерены и построены (Рис.4) профили то- ка пучка ионов гелия в зависимости от напряжения экстракции и ВЧ-мощности. Как видно из этого рисунка, профили тока пики- рованы в параксиальной области, что свидетельст- вует о перераспределении плотности тока и его мак- симальном значении на оси пучка. Перераспределе- ние фазовой плотности пучка в зоне экстракции, увеличение плотности тока и использование струк- туры с низкими аберрациями могут увеличить пара- ксиальную яркость. Для работы ЯСМЗ необходима высокая яркость в приосевой области. Рис.4. Распределение тока пучка ионов гелия по радиусу пучка при различных значениях: а - напряжения экстракции при Рвч=100 Вт и б – ВЧ-мощности при Vext=1,1 кВ Для определения приосевой яркости была по- ставлена выходная апертура диаметром 1 мм. За вы- ходной апертурой измерялся ток (Рис.5) и эмиттанс (Рис.6). Рис.5. Профиль тока пучка после прохождения выходной апертуры Рис.6. Эмиттансная диаграмма гелиевого пучка после прохождения выходной апертуры а б 372 Сила тока 1 мкА, эмиттанс 0,8 мм·мрад. Ток пуч- ка значительно уменьшился, но благодаря уменьше- нию эмиттанса и тому факту, что яркость пучка об- ратно пропорциональна квадрату эмиттанса, яркость такого вырезанного пучка в 10 раз выше, чем яр- кость полного пучка. Апертура экстракции, которая находится под плавающим потенциалом плазмы, представляет со- бой электрод смещения по отношению к плазмен- ному электроду. Увеличение параксиальной яркости может быть объяснено с точки зрения поведения приэлектрод- ного слоя. Потенциал плазмы является положитель- ным относительно плазменного электрода благодаря природе электроположительного разряда. Когда электрод находится под плавающим потенциалом, а он отрицателен относительно потенциала плазмы, ионный слой между плазмой и электродом начинает расширяться. Расширение слоя делает форму мени- ска более плоской. Поэтому потери ионного пучка, вызванные выпуклостью мениска, могут быть уменьшены, уменьшаются углы расхождения пучка, и, как следствие, уменьшается эмиттанс. Магнитное поле сжимает плазму в районе экстракции и за счет перераспределения фазовой плотности тока в пара- ксиальной части пучка значительно повышается яр- кость. Слабое электрическое поле проникает в апер- туру экстракции и усиливается с ростом вытяги- вающего напряжения. Таким образом, ионы, эмит- тированные в сторону от оси, изменяют свое движе- ние в сходящемся электрическом поле, т.е. конеч- ные радиальные электрические поля возле входа в апертуру сгибают траектории ионов, что уменьшает взаимодействие ионов с элементами конструкции системы экстракции. Экспериментально получены значения яркости для всего пучка 30 А/м2·рад2·эВ и приосевой яркости 313 А/м2·рад2·эВ после прохождения пучком выход- ной апертуры диаметром 1 мм. ВЫВОДЫ Проведенные исследования процессов формиро- вания пучка ионов геликонного ВЧ-источника ионов на базе специальной высокояркостной системы экс- тракции, которая имеет металлическую апертуру экстракции, отделенную от плазменного электрода изолирующим диском, т.е. находится под плаваю- щим потенциалом плазмы, позволили эксперимен- тально получить значение приосевой яркости после прохождения пучком 1 мм выходной апертуры на уровне 300 А/м2·рад2·эВ. ЛИТЕРАТУРА 1. A. Van Steenbergen. Recent developments in high intensity ion beam production and preacceleration // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1965, №12, p.746-750. 2. Y. Oka, T. Shoji, T. Kuroda, et al. Studies of an ex- pansion-type tandem rf bucket source // Rev. Sci. In- strum. 1990, v.61, №1, p.398-400. 3. I.S. Hong, Y.S. Hwang, G.H. Lee, et al. Ion-beam characteristics of novel helicon ion sources for dif- ferent plasma parameters // Rev. Sci. Instrum. 2000, v.71, №3, p.1385-1388. 4. S. Mordyk, V. Voznyy, V. Miroshnichenko, et al. High brightness RF ion source for accelerator-based microprobe facilities // Rev. Sci. Instrum. 2004, v.75, №5, p.1922-1924. 5. М.Д. Габович. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: «Атомиздат», 1972, 304 c. 6. K.P. Shamrai, V.B. Taranov. Volume and surface RF power absorption in a helicon plasma source // Plasma Sources Sci. Technol. 1996, v.5, p.474-491. 7. В.И. Возный, В.И. Мирошниченко, Д.П. Шульга и др. Экспериментальная установка для тестиро- вания ВЧ-источников ионов // Problems of Atomic Science and Technology. Series «Plasma Electronics and New Acceleration Methods». 2003, №4, c.284-287. 8. Д.А. Нагорный, А.Г. Нагорный, В.И. Возный. Сверхвысокочастотный интерферометр для изме- рения плотности стационарной плазмы // Прибо- ры и техника эксперимента. 2005, №2, c.98-100. 9. S.M. Mordyk, D.P. Shulha, V.I. Miroshnichenko, et al. Possibilities of improving paraxial brightness in RF ion sources // Problems of Atomic Science and technology. Series «Nuclear Physics Investigations». 2005, №6, p.81-86. Статья поступила в редакцию 02.06.2010 г. HIGH-BRIGHTNESS EXTRACTION SYSTEM OF THE HELICON ION SOURCE D.P. Shulha, S.N. Mordyk, V.I. Miroshnichenko Ion beam forming processes were studied when extractor with isolated aperture being under the floating plasma potential was used in the helicon source. Conditions allowing paraxial brightness to be increased up to 300 A/m2rad2eV appear due to changes in electric and magnetic field configurations in the extraction area. ВИСОКОЯСКРАВІСНА СИСТЕМА ЕКСТРАКЦІЇ ГЕЛІКОННОГО ДЖЕРЕЛА ІОНІВ Д.П. Шульга, С.М. Мордик, В.І. Мирошніченко Проведено дослідження процесів формування пучка іонів при застосуванні в геліконному джерелі екст- рактора з ізольованою апертурою екстракції, яка перебуває під плаваючим потенціалом плазми. За рахунок зміни конфігурації електричних і магнітних полів в області екстракції виникають умови, які дозволяють збі- льшити приосьову яскравість до рівня 300 А/м2·рад2·еВ.

Высокояркостная система экстракции геликонного источника ионов

Репозитарії

Схожі ресурси