Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Российский университет дружбы народов»
факультет физико-математических и естественных наук
кафедра экспериментальной физики
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИОННОГО ПУЧКА ИОННОГО ИСТОЧНИКА С ХОЛОДНЫМ ПОЛЫМ КАТОДОМ
Студент 4 курса
Направление подготовки: «Физика»
Кафедра: «Экспериментальная физика»
Заведующий кафедрой
д. ф.м. н., профессор
Научный руководитель
к. ф.м. н., доцент
Москва
2011
Содержание | |||
Введение | 3 | ||
Глава I ОБЗОР ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПАРАМЕТРОВ ИИ С ХПК | 4 | ||
1.1 Основные параметры ионных пучков | 4 | ||
1.2 Влияние ионного источника на формирования пучка ионов | 4 | ||
1.3 Характерные физические процессы и явления для ИИ с ХПК | 5 | ||
1.4 Вторичная электрон-ионная эмиссия | 5 | ||
1.5 Процесс формирования пучка ионов в ИИ с ХПК | 6 | ||
Глава II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ | 8 | ||
2.1 Состав и параметры стенда | 8 | ||
2.2 Вакуумная система установки | 8 | ||
2.3 Источник ионов с холодным полым катодом | 9 | ||
2.4 Электрические зонды | 10 | ||
2.5 Плоский зонд | 12 | ||
2.6 Многосеточный анализатор энергии заряженных частиц | 13 | ||
2.7 Автоматизированная система регистрации зондового тока | 14 | ||
2.7.1 Автоматизация диагностической схемы плоского зонда | 14 | ||
2.7.2 Автоматизация диагностической схемы многосеточного анализатора | 15 | ||
2.8 Особенности созданного программного обеспечения | 16 | ||
Глава III ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ | 17 | ||
3.1 Зависимость тока на зонд от экстрагирующего напряжения | 17 | ||
3.2 Распределение тока по диаметру ионного пучка | 17 | ||
3.2.1 в зависимости от условий экстракции | 18 | ||
3.2.2 в зависимости от натекания рабочего газа | 19 | ||
3.2.3 влияние нейтрализатора на ионный пучок | 20 | ||
3.3 Энергетическое распределение ионов пучка | 20 | ||
3.4 Частотный спектр сигнала на коллекторе зонда | 23 | ||
Заключение | 24 | ||
Список литературы | 25 | ||
Введение
Ионный источник (ИИ) — устройство для создания ионных пучков – пространственно сформированных упорядоченных направленных потоков ионов, со скоростями много большими тепловых скоростей. ИИ обширно применяют в качестве инжекторов частиц для ускорителей, для задач масс-спектрометрии и разделения изотопов. К перспективной области технологического применения ИИ можно отнести ионно-лучевую обработку материалов: операции очистки поверхности, различного вида имплантации, напыление пленок из металлических и диэлектрических материалов, а также травление микроструктур.
Целью представленной работы является измерения параметров и характеристик ионного пучка, создаваемого ионным источником с холодным полым катодом (ХПК). Необходимо определить следующие параметры, характеризующие пучок: пространственный профиль пучка и энергетические свойства. Также следует выяснить влияние управляющих блоков ионного источника на характеристики пучка. Для достижения поставленной цели была разработана и реализована автоматизированная система диагностики ионных пучков.
Дипломная работа состоит из трех глав и заключения.
Глава I включает информацию о процессах формирования ионного пучка в ИИ с ХПК. Глава II содержит детальное описание экспериментального стенда и его основных блоков, а также применимость средств диагностики. В Главе III представлены полученные экспериментальные данные и приводится их анализ. В заключении сформулированы основные выводы, полученные на основе выполненных экспериментальных исследований.
Глава I ОБЗОР ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПАРАМЕТРОВ ИИ С ХПК
1.1 Основные параметры ионных пучков
Выбор типа ИИ для конкретного использования осуществляют на основе сравнения основных параметров и характеристик ионного пучка.
Пучок ионов, как и любой другой пучок заряженных частиц, характеризуют следующие основные параметры:
· ток пучка, максимальное значение которого определяет «яркость» источника;
· однородность ионного потока, определяемая составом пучка по массе, заряду ионов и пространственному распределению;
· распределение ионов по энергиям (моноэнергетичность), зависит от типа источника и режима его работы;
· расходимость пучка, определяемая системой формирования ионного потока и зависящая от режима работы источника.
Базовые требования к ИИ подразумевают стабильность параметров пучка во времени и пространстве, что обеспечивается стабильностью поддержания разряда и эффективностью наработки ионов в газоразрядной камере источника.
В идеальном случае ионы потока должны быть моноэнергетичными или, в реальных условиях, с минимальным разбросом энергий. Чаще всего применяются однородные ионные пучки, как правило, содержащие ионы одной зарядности [3].
1.2 Влияние параметров ионного источника на формирование пучка ионов
Наиболее перспективный способ генерации ионных потоков основан на извлечении ионов из газоразрядной плазмы. Плазма подобного рода является эффективным эмиттером свободных ионов. Именно плазменные ионные источники нашли широкое применение в различных областях научных исследований и в современном технологическом промышленном оборудовании. Источник с холодым полым катодом является одним из плазменных ИИ.
Основными конструктивными элементами плазменных ИИ являются
· катодный узел;
· газоразрядная камера (ГРК);
· ионно-оптическая система (ИОС);
· система нейтрализации объемного заряда пучка;
· магнитная система (в источниках с магнитным полем);
· система подачи рабочего газа.
Катодный узел является эмитером электронов, необходимых для создания и поддержания газового разряда в процессе работы ИИ. В пределах катодного узла эмитированным электронам сообщается энергия для ионизации атомов, после чего они доставляются в газоразрядную камеру (ГРК), где в процессе ионизации происходит наработка ионов пучка.
Блок катода должен обеспечивать поддержание стабильных параметров газоразрядной плазмы.
Магнитная система способствует повышению концентрации и однородности плазмы в ГРК. Благодаря наложению магнитного поля создаются условия: для зажигания и горения разряда при более низких давлениях, повышения газовой экономичности источника.
Ионно-оптическая система ИИ обеспечивает экстракцию и первичную фокусировку многопучкового потока и ускорение ионов до энергий I00 эВ - 2,0 кэВ.
Обычно ИОС ИИ представляет собой сборку из трех сеток с отверстиями одинакового диаметра. Сетки имеют вид плоских или вогнутых в сторону разряда тонких металлических или графитовых дисков. Конфигурация сеток определяет форму ионного потока.
Каждая из сеток (экстрагирующая, ускоряющая, замедляющая) имеет определенный потенциал. Экстрагирующая сетка находится под высоким отрицательным потенциалом, который необходим для вытягивания положительно заряженных ионов из газоразрядной камеры. Замедляющая (экранирующая) сетка находится под нулевым потенциалом, т. е. заземлена. Это необходимо для снижения влияния электрических полей внутри ИОС на заряженные частицы в ГРК. Очевидно, что для увеличения ионного тока следует увеличивать напряжение на экстрагирующей сетке.
Число отверстий на единице поверхности сеток ИОС определяет параметры ионного пучка. В этой связи прозрачность системы сетчатых электродов (площадь отверстий, отнесенную к общей площади сетки) в технологических ИИ стремятся увеличить до максимума.
ИОС должна удовлетворять следующим требованиям:
· иметь максимальную прозрачность при оптимальном соотношении между диаметром отверстий и расстоянием между ними;
· иметь минимально возможное (при отсутствии электрического пробоя) расстояние между ускоряющей и экранирующей сетками);
· сетки должны изготавливаться из тугоплавких материалов с малым коэффициентом распыления.
Система нейтрализации необходима для компенсации пространственного заряда пучка. Нескомпенсированный положительный объемный заряд пучка является основной причиной расфокусировки ионного потока. Плотность объемного заряда легко уменьшить путем ввода в пучок медленных частиц противоположного знака.
1.3 Характерные физические явления и процессы для ИИ с ХПК
Тип источника ионов соответствует определенному способу возбуждения разряда. Согласно такой классификации различают источники с накаленным и холодным катодом, источники с ВЧ разрядом. Можно указать и другие отличительные признаки конструкции источника.
Устройство ионного источника с холодным полым катодом обладает рядом характерных конструктивных особенностей необходимых для оптимального функционирования системы в целом. Особый интерес представляют физические явления, происходящие внутри газоразрядной камеры источника, а также процессы, приводящие к ионизации атомов рабочего газа и формированию ионного пучка. В ионном источнике с холодным полым катодом имеют место следующие типичные для данного вида ИИ процессы:
· вторичная электрон-ионная эмиссия;
· тлеющий разряд.
1.4 Вторичная электрон-ионная эмиссия
При облучении металлов, полупроводников и диэлектриков ионами наблюдается испускание электронов – вторичная электрон-ионная эмиссия. Механизм эмиссии основан на передаче кинетической энергии иона электронам проводимости.
Эмиссия начинается с некоторого порогового значения энергии ионов. Она характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии и энергетическим спектром эмитированных электронов.
Для ионов с энергией свыше 1 кэВ коэффициент вторичной эмиссии возрастает с увеличением энергии ионов. Для большинства ионов и материалов зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных ионов (при малых значениях энергии ионов) близка к линейной. При высоких энергиях ионов (~50 кэВ) зависимость становится параболической. Влияние сорта ионов на коэффициент вторичной эмиссии связано с различиями в строении электронных оболочек ионов.
Энергетическое распределение вторичных электронов слабо зависит от массы, заряда иона, и его скорости. При изменении энергии ионов от десятков эВ на несколько порядков наиболее вероятная энергия вторичных электронов возрастает только в 2 – 3 раза. Энергетический спектр при кинетической энергии определяется распределением в заполненных зонах металла, образующихся при столкновениях ионов с атомами металла.
На вторичную эмиссию оказывает влияние состояние поверхности, например, адсорбированные газы и всевозможные загрязнения. Изменяется коэффициент вторичной эмиссии и нарушается стабильность эмиссии во времени. При увеличении энергии ионов (~10 кэВ) влияние загрязнений поверхности на коэффициент резко уменьшается и становится незначительным [2].
1.5 Процесс формирования пучка ионов в ИИ с ХПК
Принцип действия ионного источника с холодным полым катодом заключается в следующем, рис. 1.5.1. При работе источника в ХПК непрерывно поступает рабочий газ и подается положительное напряжение на поджигающий и вытягивающий электроды, что является причиной поджига самостоятельного тлеющего разряда внутри ХПК. В результате разряда происходит ионизация атомов рабочего газа. Образовавшиеся ионы радиально ускоряются и взаимодействуют со стенками катода. Этот процесс приводит к вторичной эмиссии частиц с катодных стенок.
Рисунок 1.5.1
Эмиссия тяжелых частиц материала катода (нейтральных атомов и ионов) является в данном случае паразитным явлением, которое приводит к загрязнению ионного пучка примесными ионами. Чтобы минимизировать этот эффект корпус катода изготавливают из материалов с низким коэффициентом распыления, как правило, из тугоплавких материалов. Кроме того, постоянное охлаждение катода в процессе работы с ИИ позволяет избежать образования примесных ионов в пучке. Таким образом, в случае ИИ с ХПК имеет место в основном только электрон-ионная эмиссия.
Первичные электроны осциллируют под действием скрещенных магнитного и электрического полей, ионизируют нейтральные атомы и вытягиваются на поджигающий и вытягивающий электроды. Основная часть электронов через отверстие в выходном электроде выталкивается в ГРК, где они обеспечивают зажигание и поддержание несамостоятельного разряда. Электроны в дальнейшем выпадают на анод, а ионы, образующиеся при ионизации газа в ГРК, благодаря высокому положительному потенциалу на аноде относительно земли, выталкиваются из ГРК, притягиваются ИОС, ускоряются в ней, и образуют ионный пучок.
На выходе из ИИ объемный (положительный) заряд сформированного ионного пучка нейтрализуется электронами, поступающими с катода-нейтрализатора (КН) вследствие термоэлектронной эмиссии.
Глава II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ
2.1 Состав и параметры стенда
Стенд предназначен для изучения источников ионов различных типов и позволяет исследовать параметры и характеристики ИИ, а также осуществлять различные технологические процессы, связанные с обработкой поверхностей.
Стенд источников ионов является современным высокотехнологичным оборудованием. Подготовка работе должна проводится перед каждым запуском. Необходимо установить требуемые параметры ионного пучка, подготовить средства диагностики и второстепенные блоки. Только после данных действий следует приступать к экспериментальной задаче. Понимание логики работы отдельных блоков и системы в целом значительно снижает число неверных действий и погрешностей результатов, а также время выполнения эксперимента.
Рисунок 2.1.1
Установка включает в себя следующие блоки и системы:
· источник ионов КЛАН-53М (ИИ с ХПК);
· система инжекции рабочего газа с возможностью выбора (азот/аргон) и регулировкой газового потока;
· система измерения плотности ионного тока (плоский зонд);
· система измерения энергии ионов (анализатор энергии);
· вакуумный пост.
2.2 Вакуумная система установки
Принципиальная схема вакуумной системы стенда приведена на рис. 2.2.1 и рис. 2.2.2. Для нормальной работы ионного источника давление в рабочей камере не должно превышать 3·10-2 Па (2,3·10-4 Торр). В противном случае возможны пробои между сетками ИОС ИИ, что приведет к их деформации и сокращению ресурса ИИ в целом. Кроме того, с возрастанием давления возрастает рассеяние ионов пучка на атомах или молекулах остаточного газа, что негативно сказывается на пространственных параметрах пучка.
Рисунок 2.2.1
Рисунок 2.2.2
Для обеспечения и поддержания необходимого вакуума используются пластинчато-роторный насос BW-40 TEPRO в качестве форвакуумного насоса (NL1) и турбомолекулярный насос 01АБ в качестве насоса дальнейшего разрежения (NR1). Контроль давления во всем вакуумном объеме производился с помощью двух вакуумметров 13ВТ3-003 и соответствующих термопарных преобразователей ПМТ-6-3М-1 (PT1, PT2) в диапазоне давлений 105Па-10-1Па. В области давлений ниже 10-1 Па состояние вакуума внутри рабочей камеры определялось вакуумметром ВМБ-14 с магниторазрядным преобразователем ПММ-32-1 (PM1).
2.3 Источник ионов с холодным полым катодом
Для получения ионов на установке используется источник КЛАН-53М. Схема ИИ с системой электропитания изображена на рис.2.3.1. ИИ состоит из холодного полого катода (ХПК), газоразрядной камеры (ГРК), ионно-оптической системы (ИОС) и катода-нейтрализатора (КН).
Рисунок 2.3.1
ХПК представляет собой полый корпус, стенки которого объединены с системой водяного охлаждения. Внутри катодного узла имеется магнитная система, поджигающий и выходной электроды, а также трубка подачи рабочего газа. ГРК содержит аноды и магнитную систему. ИOC состоит из экстрагирующего и ускоряющего электрода-сетки и кольцевого заземленного выходного электрода. КН является катодом накального типа и представляет собой проволоку из молибдена.
Система электропитания данного источника ионов содержит следующие блоки, название и функции которых приведены ниже:
· блок полого катода (БПК) поджигает тлеющий разряд внутри катодного узла;
· блок разряда (БПР) позволяет управлять разрядным током;
· блок ионного пучка (БИП) необходим для поддержания анодного напряжения (+200 - +1500В);
· блок ускоряющего электрода (БУЭ) формирует ускоряющее напряжение (-В);
· блок накала катода-нейтрализатора (БНН) и блок смещения катода-нейтрализатора (БСН) служит для регулировки эмиссионного тока с катода-нейтрализатора.
2.4 Электрические зонды
Схема расположения зондов в камере изображена на рис. 2.4.1.
Ионный пучок, сформированный источником 1, достигает зонда 2, который позволяет фиксировать ионный ток. На стенде используются два зонда: плоский зонд 2 и многосеточный зонд 3. Оба зонда закреплены на одном вводе Вильсона, установленном на верхнем фланце вакуумной камеры, и могут перемещаться в вертикальном направлении.
Рисунок 2.4.1
Плоский зонд (рис. 2.4.2) позволяет регистрировать плотность ионного тока и измерять распределение тока по диаметру ионного пучка. Зонд вносится в поток плазмы, ионы которой попадают на коллектор 3 через апертуру 5.
Диаметр апертуры плоского зонда 3 мм, эффективная площадь коллектора 12,6 мм2.
Рисунок 2.4.2
Рисунок 2.4.3
Анализатор энергии (рис. 2.4.3) ионов позволяет определять энергетический спектр ионного потока. Зонд устанавливается в потоке плазмы, содержащем в общем случае ионы и электроны. Поток плазмы попадает в отверстие приемной диафрагмы 8, проходит экранирующую сетку 7, относительно которой задаются все потенциалы сеток анализатора энергии. На отсечной сетке 6 происходит торможение и разворот электронов. На анализирующую сетку 5 подается генератором развертки отрицательное пилообразное напряжение в диапазоне 0 — 1000 В за время 200 мс.
Входная диафрагма многосеточного зонда диаметром 10 мм, эффективная площадь коллектора 57,7мм2.
2.5 Плоский зонд
Измеряется зависимость тока на зонд от приложенного к нему напряжения, т. е. определяется вольт-амперная характеристика зонда. Анализ этой характеристики в общем случае представляет собой сложную многопараметрическую задачу.
Электрическое поле, возникающее при подаче на зонд напряжения, меняет характер движения заряженных частиц вблизи него и их плотность. Как известно, зонд, погруженный в плазму, окружается двойным электрическим слоем (призондовый слой) и, фактически, ВАХ зонда является ВАХ слоя.
В случае максвелловского распределения электронов по энергиям в невозмущенной плазме и больцмановского распределения концентрации заряженных частиц в поле слоя пространственного заряда (n = noexp(–eU/kTe)) у зонда, ток зонда любой формы при отрицательных потенциалах Uз определяется соотношением
(2.5.1)
где e – заряд электрона,
– средняя скорость электронов, ne – концентрация электронов, Sз – площадь зонда, Те – температура электронов [4].
На практике же простота метода оказывается кажущейся. Это обусловлено тем, что зонд и плазма должны удовлетворять ряду требований, связанных с характером движения частиц плазмы, геометрическими размерами зонда и его конфигурацией. Кроме того, зонд является активным средством диагностики, т. е. потенциал зонда может оказывать влияние на параметры исследуемой среды. Поэтому степень возмущения плазмы должна контролироваться. Применимость методов зондовой диагностики для конкретной экспериментальной задачи следует обосновывать. В противном случае весьма вероятна высокая погрешность результатов и, как следствие, ошибочная интерпретация экспериментальных данных.
Различают несколько режимов работы зонда в зависимости от соотношения характерных размеров зонда rз пространственных масштабов плазмы - длины свободного пробега электронов - λe, ионов — λi , толщины слоя пространственного заряда у зонда – h.
· при λe, λi >> rз + h реализуются условия бесстолкновительного слоя – случай классического зонда Ленгмюра;
· при λe << rз + h << λε реализуется диффузионный режим для электронов;
· при rз + h >> λε, λi реализуется режим сплошной среды [3].
2.6 Анализатор энергии заряженных частиц
Одноэлектродный зонд позволяет определить энергетический спектр заряженных частиц методом торможения в слое объемного заряда, окружающем зонд. Однако он не позволяет получить раздельно ионную и электронную характеристики.
Рисунок 2.6.1
Многосеточный анализатор энергий заряженных частиц (рис. 2.6.1) применяется для измерения параметров электронной или ионной компоненты плазмы в отдельности. При этом необходимо выделить одну компоненты плазмы, например ионную. На сетку 1 подается достаточно большое отрицательное напряжение. На сетку 2 подается положительное напряжение для измерения кривой задержки ионного тока на коллектор – К. Сетка 3 находится под отрицательным смещением по отношению к коллектору для запирания вторично-эмиссионных электронов, выбиваемых с его поверхности. Движение ионов внутри зонда фактически одномерное и ток ионов на коллектор равен
, (2.6.1)
где U - величина анализирующего напряжения на сетке 3 [1,4].
Основные источники ошибок при измерениях анализатором энергии являются:
· “провисание’’ потенциала в ячейках анализирующей сетки 3. Величина провисания потенциала зависит отношения диаметра проволочек сетки к расстоянию между ними. Для уменьшения провисания потенциала часто используют двойные или жалюзные сетки;
· влияние пространственного заряда ионов. Данный эффект особенно заметен вблизи анализирующей сетки, там где скорости частиц малы и плотность их максимальна;
· вторичная эмиссия электронов с коллектора и сеток.
Основные причины искажения вольт-амперных характеристик зонда:
· загрязнение поверхности зонда;
· наличие сопротивлений в измерительной цепи и сопротивления самого зонда;
· нарушение бесстолкновительного приближения.
2.7 Автоматизированная система регистрации зондового тока
В процессе подготовки и выполнения представленной дипломной работы была реализована схема измерения токов как на плоский зонд, так и на коллектор многосеточного анализатора. Разработанная схема диагностики позволяет контролировать измерительный режимом при помощи ПК, визуализировать результаты измерений, осуществлять их математическую обработку и последующую документацию данных. В настоящий момент данная автоматизированная система находится на стадии реализации и включает в себя следующие блоки
· источник питания (ИП) GW Instek PSP-603;
· компьютер с программным обеспечением LabVIEW 8.51 и картой сбора данных NI DAQ 6024e;
· BNC – коннектор;
· модуль переключения полярности ИП;
· генератор пилообразной развертки.
2.7.1 Автоматизация диагностической схемы плоского зонда
Автоматизированная система подразумевает несколько режимов работы.
Для плоского зонда предусмотрен режим непрерывного определения тока пучка. Наличие такого режима обосновывает необходимость измерений тока ионов на зонд при выбранном фиксированном напряжении. Данный режим удобен для предварительных измерений и отладки системы.
Помимо ручного режима предусмотрен режим снятия вольтамперной характеристики. Регистрация вольтамперных характеристик производится при помощи управляющей программы, написанной в среде графического программирования LabVIEW. Созданная программа позволяет в автоматическом режиме измерять зависимость тока в цепи плоского зонда от внешнего приложенного напряжения. Предусмотрена настройка диапазона напряжения и интервала его приращения.
Измерительный цикл происходит следующим образом. Напряжение, подаваемое на зонд относительно земли, определяется ИП, управление которым осуществляется удаленно с ПК посредством COM-порта. Функциональные возможности ИП не позволяют использовать последний в качестве генератора пилообразного напряжения, потому измерения проводятся поточечно. В автоматическом режиме, получив команду на запуск, ИП формирует ступенчато наростающее напряжение, которое подается на зонд. Существует возможность предварительной настройки измерительного шага от 0,02 В до 5В, кроме того могут быть заданы пределы измерений по напряжению. ИП является однополярным и максимально возможное напряжение составляет 60 В. Однако, для фундаментального анализа необходимо рассматривать ВАХ как при положительных, так и при отрицательных потенциалах зонда. Для этого была добавлена возможность переключения полярности ИП, реализованная на базе стандартной релейной схемы (рис. 2.7.1). Переключение реле осуществляется при помощи цифрового выходного порта DAQ-карты. В период между измерениями ВАХ плоский зонд находится под потенциалом -60В, что обеспечивает очистку зонда ионной бомбандировкой [9].
.
Рисунок 2.7.1
Ток с коллектор плоского зонда измеряется через токосъемный резистор и делитель напряжения посредством первого аналогового входа DAQ-карты. Максимальный уровень сигнала, поступающего на аналоговый вход карты, не превышает 10 В.
ИП, который используется при работе с плоским зондом не позволяет генерировать пилообразное напряжение. Кроме того была замечена инерционность при управлении источником питания в режиме удаленного доступа. Были проведены измерения времени изменения напряжения при включении источника питания и период установления требуемого напряжения. Полученные результаты свидетельствуют о недопустимости пренебрежением временем переходного процесса и обосновывают необходимость учета длительности процесса стабилизации при измерениях зондового тока. Время необходимое для установления напряжения составило от 25мс (при интервале 2-5 В) до 300мс (при интервале более 10 В). Таким образом, большая величина интервала (измерительного шага) может оказывать негативное влияние на получаемый результат. В программе для работы с плоским зондом было добавлено время ожидания после настройки или регулировки напряжения.
Таким образом процесс снятия ВАХ плоским зондом происходит непозволительно долгий период времени: если измерять ток в каждой точке без усреднения с шагом 0,2В в диапазоне -60 - +60В со временем ожидания 300мс, то общее время измерительного цикла составит 3 минуты. К тому же, как показали измерения, необходимо производить усреднение результатов, что подразумевает увеличение времени снятия ВАХ.
В дальнейшем планируется использовать генератор пилообразного напряжения с амплитудой до 60В.
2.7.2 Автоматизация диагностической схемы многосеточного анализатора
Диагностика пучка анализатором энергий происходит в автоматическом режиме. Генератор пилообразного напряжения, 30В источника питания и измерительной схемы, с выводов которой пользователь может получать сигналы с коллектора, анализирующей сетки многосеточного анализатора, а также сигнал синхронизации. Амплитуда выходных сигналов не превышает 10 В. Генератор развертки формирует линейно наростающее пилообразное напряжение, которое подается на анализирующую сетку многосеточного анализатора. Амплитуда пилообразного напряжения достигает 1000 В, а период составляет 200 мс. Для регистрации зависимости от времени тока на коллекторе используется второй аналоговый порт DAQ-карты.
Рисунок 2.7.2
2.8 Особенности разработанного программного обеспечения
Программное обеспечение, разработанное в рамках данной работы, проводит работу с диагностическим комплексом стенда в несколько этапов:
· предварительные настройки и выбор режима диагностики;
· непосредственный процесс измерений и вывод результатов в виде графических функциональных зависимостей плотности тока от различных параметров;
· математическая обработка в соответствии с выбранным режимом и сохранение полученных результатов в файл-отчет.
Интерфейсы программ для работы с плоским и многосеточным зондами представлены на рисунках 2.8.1 и 2.8.2 соответственно.
Программа зондовых измерений имеет в составе встроенную графическую часть, что позволяет оперативно оценивать полученные данные их производить их отбраковку.
Рисунок 2.8.1
Рисунок 2.8.2.
ГЛАВА III ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Зависимость тока на зонд от экстрагирующего напряжения
На рисунке 3.1.1 представлен график зависимости тока на коллектор плоского зонда от экстрагирующего напряжения. Обе кривых получены для рабочего газа азота при натекании 100*10-9 м3/с. Верхний график соответствует следующим условиям разряда: 0,5 А, 55 В. Нижний получен при более низких значениях величин разрядных параметров, которые составляют 0,3 А, 50 В. Погрешность расположения точек зависимости не превышают 25 В и 10 мкА по координатной сетке.
Исходя из анализа данной характеристики можно говорить об увеличении ионного тока при повышении напряжения разряда. Однако существует предельный критический режим работы ионного источника, при длительной работе в котором возрастает число примесных ионов в пучке и происходит износ материалов поджигающего электрода и стенок катода. Необходимо поддерживать условия стабильного разряда и следить, чтобы ток разряда не превышал величины в 0,6 А.
Рисунок 3.1.1
3.2 Распределение тока по диаметру ионного пучка
Исследования распределений тока токов по диаметру пучка показывают, что широкий спектр варьируемых параметров слабо влияет на активную ширину пучка. Было зафиксировано сохранение ширины ионного пучка в области 3,5 – 4 см. Все ниже представленные зависимости были получены при следующих условиях разряда 45 В, 0,2 А. В качестве рабочего газа применялся азот.
3.2.1 зависимость от условий экстракции
Ниже на рисунке 3.2.1 представлены зависимости распределений токов ионов по диаметру пучка. Верхняя кривая соответствует экстрагирующему напряжению величиной в 1400 В, средняя – 1200 В, нижняя – 1000 В. Натекание для все трех случаев составляло 75*10-9 м3/с. Измерения профиля пучка проводились с точностью до 0,5 см, погрешность регистрации тока не превышает 10 мкА.
Рисунок 3.2.1
3.2.2 зависимость от натекания рабочего газа
На рисунке 3.2.2 отображены зависимости распределений токов ионов по диаметру пучка для двух режимов натекания рабочего газа (верхняя кривая – 100*10-9 м3/с, нижняя - 75*10-9 м3/с). Измерения производились при фиксированном экстрагирующем напряжении величиной в 1400 В. Параметры разряда следующие: 45 В, 0,3 А.
Стоит подчеркнуть, что величина газового потока является одним из факторов, от которых зависит ширина пучка. При более интенсивном натекании газа ширина пучка продолжает увеличиваться, однако интегральное значение тока понижается. Это обусловлено многочисленными столкновениями атомов и ионов, приводящих к энергетическим потерям.
Рисунок 3.2.2
3.2.3 влияние нейтрализатора на ионный пучок
Зависимости на рисунке 3.2.3 показывают влияние тока нейтрализатора на ионный пучок. Измерения проведены при следующих параметрах источника ионов: экстрагирующее напряжение 1400 В, натекание - 75*10-9 м3/с, разряд - 45 В, 0,3 А.
Не нейтрализованный положительный объемный заряд приводит к расфокусировке пучка при дальнейшей транспортировке. Верхний график соответствует пучку ионов с объемным зарядом, который не был нейтрализован. Остальные случаи приведены для нормального (средний график) и избыточного значения тока эмиссии с катода нейтрализатора.
Рисунок 3.2.3
3.3 Энергетическое распределение ионов пучка
При помощи многосеточного зонда-анализатора была получена вольтамперная характеристика тока ионов в зависимости от величины потенциала на анализирующей сетке. Напряжение на анализирующей сетке задается с помощью генератора пилообразного напряжения с амплитудой 1000 В за период 200 мс. Таким образом, анализатор позволяет измерять энергетическое распределение ионов пучка до 1 кэВ. Результаты (зависимость тока на коллекторе анализатора от напряжения на анализирующей сетке) обладают интегральным характером, т. е. для перехода к энергетическому спектру необходимо продифференцировать первоначально полученную зависимость.
Предварительные измерения характеристик осуществлялись с помощью 4-канального цифрового осциллографа Tektronix, который одновременно отображал пилообразное напряжение и вольтамперную характеристику. В дальнейшем регистрация ВАХ проводилась автоматическом режиме, который был реализован на базе DAQ-карты и созданного программного обеспечения в среде LabVIEW.
На рисунке 3.3.1 представлены осциллограммы для трех значений энергий ионов, которые определяются величиной экстрагирующего напряжения. Верхний график соответствует экстрагирующему напряжению величиной в 1000 В, средний – 800 В, а нижний – 600 В. Также на этом рисунке изображен временной характер пилообразного напряжения, которое подается на анализирующую сетку зонда. Напряжение на этой сетке ограничивает продвижение ионов с энергиями меньшими текущей величины напряжения.
Рисунок 3.3.1
Характер шумов, наличие которых усложняет обработку осциллограммы, будет исследован в разделе 3.4. Суперпозиция полезного сигнала и шумов представляет собой периодическую функцию (рис. 3.3.1). Таким образом, является возможным проводить усреднение зависимости тока от приложенного к анализирующей сетке напряжения. На рисунке 3.3.2 представлены ВАХ после программного усреднения. Предварительный анализ характеристик, изображенных на рисунке 3.3.2, показывает, что разброс энергий ионов не превышает величины в 100 эВ. Верхняя зависимость на этом графике соответствует энергии ионов в 1000эВ.
После программного дифференцирования зависимости ионного тока от напряжения получаем энергетический спектр ионов пучка (рис. 3.3.3).
Рисунок 3.3.2
Рисунок 3.3.3
3.4 Частотный спектр сигнала на коллекторе зонда
С помощью цифрового осциллографа Tektronix посредством функции быстрого преобразования Фурье (FFT) был получен частотный спектр сигнала с коллектора зонда (рис. 3.4.1). Анализ спектра демонстрирует наличие в спектре большого числа частот кратных частоте сетевого напряжения 50 Гц (рис. 3.4.2). Можно с уверенностью говорить о том, источником шумов является наводка блоков сопряженного оборудования. В перспективе в качестве методов для очистки полезного сигнала от частот посторонних шумов рассматриваются:
· применение частотного фильтра;
· дополнительная экранировка измерительного оборудования;
· программная обработка сигнала.
Рисунок 3.4.1
Рисунок 3.4.2
Заключение
В целом, результаты данной дипломной работы могут быть обобщены так:
1. выполнены измерения распределения плотности тока ионного пучка
1.1. при различных параметрах разряда (45 В, 0,3 А; 50 В, 0,4 А; 55 В 0,5 А) замечено, что увеличение разрядных параметров приводит к росту тока пучка, однако ток разряда ограничен предельным значением в 0,6 А;
1.2. в зависимости от натекания газа в газоразрядную камеру ионного источника (при натекании 75*10-9 м3/с; 100*10-9 м3/с) зафиксировано влияние на ширину пучка, которая изменялась в пределах от 3 до 5 см при увеличении газового потока. Кроме того стоит отметить, что при менее интенсивном натекании (меньше 60*10-9 м3/с) тлеющий разряд не зажигался и как следствие, на выходе источника не формировался ионного пучка;
1.3. в зависимости от экстрагирующего напряжения (1000 В; 1200 В; 1400 В) отмечен прямо пропорциональный рост ионного тока, при этом можно говорить о сохранении диаметра пучка;
1.4. в зависимости от эмиссионного тока нейтрализатора было определено, что нейтрализатор оказывает слабое влияние на ионный пучок;
2. получен энергетический спектр ионного пучка, свидетельствующий о спектральном распределении ионов, близкому к моноэнергетическому;
3. разработана и реализована автоматизированная система зондовых измерений.
В заключении следует отметить следующий вывод: проведенные экспериментальные измерения демонстрируют гибкость настройки тока ионного пучка и возможность регулировки интегрального тока пучка в диапазоне от 10 мА до 100 мА. Стоит отметить постоянство пространственных поперечных размеров пучка не превышающих 5 см в диаметре. Таким образом, можно говорить хорошей фокусировке пучка на всем пути транспортировки.
Анализ характеристик, полученных с коллектора многосеточного зонда, привел к следующим результатам. Исследуемый источник ионов, как выяснилось экспериментальным путем, обладает возможностью получать пучки ионов с энергиями в диапазоне эВ. При этом был сделан вывод о моноэнергетичности ионов, содержащихся в пучке. Во всяком случае, однозначно установлено, что разброс энергий относительно основного значения не превышает 100 эВ.
Таким образом, благодаря параметрам сформированного ионного пучка, данный источник ионов может применяться в областях нанотехнологий для задач точечной ионно-лучевой обработки материалов.
Список литературы
1) Светцов и плазменная электроника: Учебное пособие. / Иваново: издательство ИГХТУ, 20с.
2) , Носков лазерной и электронно-ионной технологии: Учебное пособие. / Томск: издательство Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 20с.
3) , , Корольков электроника и ее современные приложения: Учебное пособие. / Москва: издательство РУДН, 20с.
4) Козлов зонд в плазме. М.: Атомиздат. 1969.
5) Физика и технология источников ионов, под ред. М.: МИР, 1998.
6) Введение в физику плазмы, пер. с англ.-М.:МИР, 1987.
7) Диагностика плазмы, по ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М.:МИР, 1967.
8) , , Определение параметров плазмы при учете эффекта стока на зонд. ИВ МВ и ССО СССР, Физика, 1984.
9) , , Зондовая система диагностики плазмы на установке СВЧ-ЭЦР разряда. Лесной вестник 2/2000, с.78-82.
