RU2353017C1 - Low-energy ion beams source for nano electronics technologies - Google Patents
Low-energy ion beams source for nano electronics technologies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2353017C1 RU2353017C1 RU2007122613/28A RU2007122613A RU2353017C1 RU 2353017 C1 RU2353017 C1 RU 2353017C1 RU 2007122613/28 A RU2007122613/28 A RU 2007122613/28A RU 2007122613 A RU2007122613 A RU 2007122613A RU 2353017 C1 RU2353017 C1 RU 2353017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- source
- ion
- nozzle
- target
- supersonic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для получения ионных пучков и управления ими и может быть использовано в качестве ключевого элемента как существующих, так и новых промышленных технологий наноэлектроники таких, например, как безрезистивная нанолитография, имплантация, размерное легирование, ионно-химическое сухое травление, ионная микроскопия, устранение дефектов литографических масок, получение тонких пленок с уникальными новыми свойствами (техника ионно-пучковой эпитаксии), микро- и наномеханическая обработка тонких пленок субмикронной толщины (так называемое «фрезерование» ионными пучками), прямое «рисование» микросхем на подложке с управлением от компьютера.The invention relates to devices for producing and managing ion beams and can be used as a key element of both existing and new industrial nanoelectronics technologies such as, for example, resistive nanolithography, implantation, dimensional doping, ion-chemical dry etching, ion microscopy, elimination of defects in lithographic masks, obtaining thin films with unique new properties (ion-beam epitaxy technique), micro- and nanomechanical processing of thin films sub ikronnoy thickness (so-called "milling" ion beams), direct "drawing" chips on a substrate with control of the computer.
Известна техника, в которой ионы получаются при облучении вещества мишени сфокусированным лучом лазера (так называемая лазерная абляция). На фиг.1 представлена схема устройства ионного источника с использованием лазерной абляции, предложенная нобелевским лауреатом 1990 года по химии R.Smalley [1]. Данный источник ионных пучков состоит из сверхзвукового сопла 1; мишени 3, выполненной в виде стержня (или проволоки), подаваемого в источник перпендикулярно плоскости фиг.1; импульсного клапана 9 для подачи буферного газа-носителя 4; луча лазера 5, проходящего в источник ионов через входное окно 10; скиммера 11; двух ступеней вакуумной откачки 7 и 8.A technique is known in which ions are obtained by irradiating a target substance with a focused laser beam (the so-called laser ablation). Figure 1 presents a diagram of an ion source device using laser ablation, proposed by the 1990 Nobel laureate in chemistry R.Smalley [1]. This ion beam source consists of a supersonic nozzle 1;
Работает данный источник ионов следующим образом. Буферный газ-носитель 4 (аргон или гелий) высокой чистоты через импульсный клапан 9, открытие которого синхронизировано с лазерным импульсом, попадает в дозвуковую часть сопла 1, где он обдувает мишень 3. Сфокусированный луч лазера 5 вызывает испарение и ионизацию вещества мишени 3. Получаемые таким образом ионы с энергиями в области нескольких сотен эВ (энергетический спектр ионов при лазерной абляции определяется величиной плотности потока излучения лазера в импульсе) замедляются в буферном газе-носителе до тепловых скоростей за счет многократных ион-атомных столкновений. Так как используется буферный газ высокой чистоты, то нейтрализации ионов в этом газе не происходит, потому что потенциалы ионизации атомов благородных газов (аргон, гелий) выше, чем потенциалы ионизации атомов практически всех возможных веществ мишени. Затем медленные ионы подхватываются газовым потоком и выносятся из сопла 1 сверхзвуковой газовой струей. Отметим, что режим сверхзвукового истечения буферного газа из сопла 1 обеспечивается с помощью вакуумной откачки 7. Скиммер 11, являющийся конусной диафрагмой с острой кромкой входного отверстия, вырезает из сверхзвуковой струи ее приосевую часть вместе с термализованными в ней ионами. Таким образом, ионы, прошедшие через скиммер 11, в виде пучка выводятся из источника в условия высокого вакуума, который обеспечивается с помощью откачки 8.This ion source works as follows. Buffer carrier gas 4 (argon or helium) of high purity through the pulse valve 9, the opening of which is synchronized with the laser pulse, enters the subsonic part of the nozzle 1, where it blows the
Недостатком описанного источника ионов [1] является низкая эффективность использования вещества мишени, так как, во-первых, значительная часть образованных при лазерной абляции ионов теряется на стенках сопла при их замедлении в буферном газе-носителе, а, во-вторых, даже для идеально изготовленного и оптимально установленного скиммера не более 1% ионов, вынесенных сверхзвуковой струей из сопла, может пройти через скиммер в виде ионного пучка (это прямо следует из того, что скиммер вырезает из струи лишь ее небольшую приосевую часть).The disadvantage of the described ion source [1] is the low efficiency of the use of the target substance, since, firstly, a significant part of the ions formed by laser ablation is lost on the nozzle walls when they are slowed down in the buffer carrier gas, and, secondly, even for ideally When a skimmer is manufactured and optimally installed, no more than 1% of the ions removed by the supersonic jet from the nozzle can pass through the skimmer in the form of an ion beam (this directly follows from the fact that the skimmer cuts out only a small axial part of it from the jet).
Другим недостатком источника ионных пучков, схематически представленного на фиг.1, является ограниченный срок его службы. Дело в том, что при работе данного источника часть испаренного лазерным лучом 5 вещества мишени 3 неминуемо осаждается на поверхности входного окна 10, что со временем приводит к потере его прозрачности для лазерного луча 5. Значительная часть ионов и нейтральных атомов, испаренных лазерным лучом из мишени 3 и затем вынесенных сверхзвуковой струей из сопла 1, осаждается на наружной поверхности скиммера 11, что постепенно приводит к притуплению острой кромки его входного отверстия и даже его «зарастанию». В результате данных негативных процессов осаждения вещества мишени установка источника ионов выходит из режима нормального и полноценного функционирования, и для продолжения эксплуатации требуется ее остановка с целью замены и/или очистки (когда это возможно) входного окна 10 и скиммера 11. Кроме того, недостатком рассматриваемого источника ионов [1] является также необходимость использования достаточно мощной вакуумной откачки 7 для достижения необходимых параметров сверхзвукового потока буферного газа перед входным отверстием скиммера 11, что приводит к увеличению размеров и стоимости установки.Another disadvantage of the ion beam source shown schematically in FIG. 1 is its limited life. The fact is that during the operation of this source, part of the
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является источник ионных пучков [2], конструктивная схема которого представлена на фиг.2.The closest technical solution (prototype) to the proposed invention is the source of ion beams [2], a structural diagram of which is presented in figure 2.
Данный источник ионов состоит из аксиально-симметричного сопла Лаваля 1, имеющего на оси трубку 2, проходящую через дозвуковую сужающуюся часть сопла 1 в область сверхзвукового расширения буферного газа-носителя (расширяющаяся часть сопла) и мишени 3 в виде стержня (или проволоки), подаваемого в сопло через трубку 2 (см. фиг.2). Буферный газ-носитель 4 подается в сопло 1 через отверстие в стенке дозвуковой части сопла, а лазерный луч 5 фокусируется на торец стержня мишени 3, выступающего из поддерживающей его трубки 2.This ion source consists of an axially symmetric Laval nozzle 1 having an
Работает этот источник ионов следующим образом. При истечении в вакуум буферного газа-носителя (это может быть, например, водород, гелий, неон, азот, аргон, криптон или ксенон) через сопло 1 образуется сверхзвуковая струя газа, которая обтекает трубку 2 и смыкается за торцом мишени 3. Взаимодействие лазерного луча 5, сфокусированного на торец мишени 3, вызывает испарение и ионизацию вещества мишени, аналогично тому, как это происходит в описанном выше источнике ионов [1]. Образованные при лазерной абляции ионы замедляются при столкновениях с атомами буферного газа-носителя, происходит их термализация с газом-носителем, и в результате формируется пучок ионов, имеющий скорость и температуру (характеризующую разброс ионов по скоростям), равные скорости и статической температуре сверхзвуковой струи, соответственно. Так как в описании изобретения ионного источника [2] отсутствуют какие-либо указания на устройство, с помощью которого ионный пучок выводится из газовой струи в условия высокого вакуума, мы вправе считать, что для этой цели авторами предполагалось использовать скиммер, потому что использование скиммеров для формирования молекулярных и ионных пучков из сверхзвуковых газовых потоков было в то время, а это был 1987 год, общепринятой практикой. Отметим, что один из авторов описанного источника ионных пучков [2] является также и автором предлагаемого изобретения.This ion source works as follows. When a buffer carrier gas (for example, hydrogen, helium, neon, nitrogen, argon, krypton or xenon) flows out through a nozzle 1, a supersonic gas stream is formed through the nozzle 1, which flows around the
Источник ионов [2] имеет общие с описанным выше источником ионов [1] недостатки - это низкая эффективность использования вещества мишени, ограниченный срок службы источника (из-за «зарастания» входного отверстия скиммера осаждающимся веществом мишени) и необходимость использования мощной вакуумной откачки для сверхзвуковой струи буферного газа-носителя. Кроме того, недостатком источника ионов [2] является необходимость относительно большого расхода дорогого буферного газа высокой чистоты. Напомним, что в источнике [1] уменьшение среднего расхода буферного газа достигается за счет использования импульсного режима работы клапана 11 (см. фиг.1).The ion source [2] has common drawbacks with the ion source [1] described above: it is the low efficiency of using the target material, the limited life of the source (due to the overgrowth of the skimmer inlet by the deposited target material) and the need to use powerful vacuum pumping for supersonic jets of buffer carrier gas. In addition, the disadvantage of the ion source [2] is the need for a relatively large consumption of expensive buffer gas of high purity. Recall that in the source [1] the decrease in the average flow rate of the buffer gas is achieved by using the pulse mode of operation of the valve 11 (see figure 1).
Целью настоящего изобретения является уменьшения потерь вещества мишени, расхода буферного газа-носителя, габаритов установки источника при одновременном уменьшении ее стоимости, а также увеличение срока службы.The aim of the present invention is to reduce the loss of target material, the consumption of a buffer carrier gas, the dimensions of the source installation while reducing its cost, as well as increasing the service life.
Поставленная цель достигается тем, что в источнике ионных пучков, содержащем сверхзвуковое сопло Лаваля с установленной на его оси трубкой, через которую мишень в виде стержня (или проволоки) подается в сверхзвуковую часть сопла, и имеющем сфокусированный на торец мишени лазерный луч, осуществляющий испарение и ионизацию вещества мишени, он дополнительно снабжен электромагнитной ионной воронкой, установленной на оси сопла за его выходным срезом для очистки ионного пучка от основной массы истекающего из сопла буферного газа-носителя, его фокусировки и вывода в условия высокого вакуума.This goal is achieved by the fact that in a source of ion beams containing a Laval supersonic nozzle with a tube mounted on its axis, through which a target in the form of a rod (or wire) is fed into the supersonic part of the nozzle, and having a laser beam focused on the target end, which performs evaporation and ionization of the target substance, it is additionally equipped with an electromagnetic ion funnel mounted on the axis of the nozzle behind its outlet slice to clean the ion beam from the bulk of the carrier gas flowing out of the nozzle, e The focus and output in a high-vacuum conditions.
На фиг.3 представлена конструктивная схема, поясняющая работу предлагаемого источника низкоэнергетичных ионных пучков для технологий наноэлектроники. Так же как и описанный выше ионный источник [2] (см. фиг.2) предлагаемый источник содержит аксиально-симметричное сопло Лаваля 1, имеющее на оси трубку 2, проходящую через дозвуковую сужающуюся часть сопла 1 в область сверхзвукового расширения буферного газа-носителя (расширяющаяся часть сопла) и мишень 3 в виде стержня (или проволоки), подаваемого в струю газа-носителя через трубку 2 в сопле 1. Буферный газ-носитель 4 также поступает в сопло 1 через отверстие в стенке дозвуковой части сопла, и лазерный луч 5 фокусируется на торец стержня мишени 3, выступающего из поддерживающей его трубки 2. Дополнительными по сравнению с прототипом (см. фиг.2) элементами конструкции предлагаемого источника являются электромагнитная ионная воронка 6, установленная на оси сопла за его выходным срезом, и дополнительная ступень вакуумной откачки 8. Электромагнитная ионная воронка 6 состоит их стопки тонких кольцевых металлических электродов с уменьшающимися в направлении струи диаметрами центральных отверстий. К кольцевым электродам воронки приложено радиочастотное электрическое напряжение таким образом, что соседние электроды находятся в противофазе. Для проводки луча лазера 5 к мишени 3 сквозь тело электромагнитной воронки 6 в некоторых кольцевых электродах имеются соответствующие отверстия, как это показано на фиг.3. Несколько последних кольцевых электродов воронки 6 располагаются в области высоковакуумной откачки 8 (см. фиг.3), и к этим электродам дополнительно могут быть приложены постоянные электрические напряжения, создающие внутри этой части воронки 6 небольшое ускоряющее ионы электрическое поле.Figure 3 presents a structural diagram explaining the operation of the proposed source of low-energy ion beams for nanoelectronics technology. As well as the ion source described above [2] (see FIG. 2), the proposed source contains an axially symmetric Laval nozzle 1 having an
Предлагаемый источник низкоэнергетичных ионов работает следующим образом. Ионы, произведенные в результате ионизации вещества мишени 3 лазерным лучом 5, замедляются и охлаждаются при столкновениях с нейтральными атомами газа-носителя до скорости и статической температуры газовой струи, соответственно. По выходе из сопла 1 ионы транспортируются газовым потоком внутри электромагнитной ионной воронки 6. Радиочастотное напряжение, приложенное к электродам воронки 6, создает внутри воронки 6 эффективное электрическое поле, отталкивающее ионы к оси и удерживающее их внутри воронки 6. В то же время, нейтральный буферный газ-носитель свободно истекает из воронки 6 через зазоры между кольцевыми электродами за счет вакуумной откачки 7. В результате, очищенный от основной массы газа-носителя и сфокусированный электромагнитной воронкой 6 ионный пучок попадает в условия высокого вакуума 8, для поддержания которого достаточно использовать вакуумный насос небольшой производительности. При переходе из области откачки 7 в высоковакуумную область 8 давление буферного газа внутри воронки 6 уменьшается по направлению к ее выходу. Таким образом, в области последних кольцевых электродов воронки 6, расположенных в области откачки 8, длина свободного пробега ионов в остаточном буферном газе становится больше, чем диаметры центральных отверстий в электродах воронки 6, а также расстояния между соседними электродами. Поэтому, для улучшения условий транспортировки ионов через эту конечную часть воронки 6 к электродам, расположенным в высоковакуумной части откачки 8, дополнительно могут быть приложены постоянные напряжения, создающие вдоль оси этой части воронки 6 небольшое постоянное ускоряющее ионы электрическое поле (например, как показали приведенные ниже результаты компьютерных экспериментов, электрического поля 0.75 В/см оказывается достаточным для эффективной экстракции ионного пучка из источника при использования разных буферных газов-носителей и для ионов разной массы).The proposed source of low-energy ions works as follows. The ions produced as a result of the ionization of the
Именно такая неизвестная ранее оригинальная комбинация газодинамического ионного источника [2] (прототип) с электромагнитной ионной воронкой 6 (см. фиг.3) позволяет достичь заявленной цели. Тот факт, что эффективное электрическое поле, создаваемое приложенным к кольцевым электродам воронки 6 радиочастотным напряжением, отталкивает ионы к оси воронки 6, позволяет практически без потерь вывести из источника все ионы, полученные при облучении лучом лазера 5 вещества мишени 3. Кольцевые электроды электромагнитной воронки 6 препятствуют осаждению распыленного лазерным лучом 5 вещества мишени 3 на поверхности фокусирующей лазерный луч оптики (на фиг.3 оптика не показана), что значительно повышает срок непрерывной работы предлагаемого источника ионов. Более того, в конструкции предлагаемого источника отсутствует скиммер, из-за которого нормальная работа ионного источника могла бы быть также нарушена за счет осаждения на его поверхности вещества мишени 3.It is such an previously unknown original combination of a gas-dynamic ion source [2] (prototype) with an electromagnetic ion funnel 6 (see FIG. 3) that makes it possible to achieve the stated goal. The fact that the effective electric field created by the radio frequency voltage applied to the ring electrodes of the
Так как в отличие от условий работы ионного источника [2] (прототип), здесь при транспортировке ионов через электромагнитную воронку 6 нет необходимости в поддержании режима сверхзвукового течения буферного газа-носителя, то оптимальные условия работы предлагаемого источника низкоэнергетичных ионов обеспечиваются при значительно меньших расходах буферного газа-носителя через сопло 1. В частности, это означает, что для работы установки предлагаемого источника ионов можно использовать вакуумные насосы значительно меньшей производительности, и, вследствие этого, общие габариты и цена оборудования для установки предлагаемого источника низкоэнергетичных ионов становятся значительно меньше.Since, unlike the operating conditions of the ion source [2] (prototype), here, when transporting ions through an
Для того чтобы еще больше уменьшить необходимую скорость откачки вакуумных насосов, можно разделить электромагнитную ионную воронку 6 на две раздельно откачиваемые части. Конструктивная схема такого варианта источника представлена на фиг.4. Как видно из фиг.4, электромагнитная ионная воронка здесь состоит из двух частей 6а и 6б, и вакуумная система состоит теперь не из двух (как на фиг.3), а из трех ступеней дифференциальной откачки 7а, 7б и 8.In order to further reduce the necessary pumping speed of vacuum pumps, it is possible to divide the
Особенность работы данного варианта ионного источника заключается в том, что давление буферного газа снаружи первой части воронки 6а (см. фиг.4), поддерживаемое откачкой 7а, в несколько раз выше, чем давление газа снаружи второй части воронки 6б, поддерживаемое вакуумной откачкой 7б (фиг.4). В результате этого эффективная работа предлагаемого источника низкоэнергетичных ионов обеспечивается в данном его варианте двумя небольшими форвакуумными насосами, откачивающими обе части электромагнитной воронки (см. фиг.4). Причем суммарная скорость откачки этих насосов значительно меньше, чем производительность вакуумного оборудования, необходимого для откачки электромагнитной воронки 6 в случае источника ионов, схема которого представлена на фиг.3.A feature of the operation of this variant of the ion source is that the pressure of the buffer gas outside the first part of the
С целью проверки работы предлагаемого источника ионов и исследования его характеристик мы выполнили детальное численное моделирование процессов газодинамического охлаждения и формирования в источнике низкоэнергетичных ионных пучков. С помощью имеющейся у нас оригинальной программы, основанной на решении полной системы время-зависимых уравнений Навье-Стокса, моделировались как дозвуковые, так и сверхзвуковые течения буферного газа-носителя. Результаты этих газодинамических расчетов использовались в качестве исходных данных другой программой, которая на основе метода Монте-Карло осуществляла траекторные расчеты ионов в электромагнитных воронках (см. фиг.3 и фиг.4) при совместном на них действии газодинамических и электрических полей. Фактически, это были компьютерные эксперименты, позволившие нам подробно исследовать работу предлагаемого источника ионов. Описание указанных компьютерных программ, результаты их тщательного тестирования, а также результаты других компьютерных экспериментов в области молекулярных и ионных пучков можно найти, например, в наших работах [3] и [4].In order to verify the operation of the proposed ion source and study its characteristics, we performed a detailed numerical simulation of gas-dynamic cooling and the formation of low-energy ion beams in the source. Using our original program, based on solving a complete system of time-dependent Navier-Stokes equations, both subsonic and supersonic flows of a buffer carrier gas were simulated. The results of these gas-dynamic calculations were used as input by another program that, based on the Monte Carlo method, performed trajectory calculations of ions in electromagnetic funnels (see Fig. 3 and Fig. 4) under the combined action of gas-dynamic and electric fields. In fact, these were computer experiments that allowed us to study in detail the operation of the proposed ion source. A description of these computer programs, the results of their rigorous testing, and also the results of other computer experiments in the field of molecular and ion beams can be found, for example, in our works [3] and [4].
В качестве примера реализации предлагаемого источника низкоэнергетичных ионов рассмотрим устройство источника (фиг.3) со следующими основными геометрическими параметрами:As an example of the implementation of the proposed source of low-energy ions, consider the source device (figure 3) with the following basic geometric parameters:
1. Сопло Лаваля 11. Laval nozzle 1
- сужающаяся и расширяющаяся конусные части имеют углы раствора 90°;- tapering and expanding conical parts have a solution angle of 90 °;
- диаметр критического сечения (горловина сопла) - 1.0 мм;- diameter of the critical section (nozzle neck) - 1.0 mm;
- длина сверхзвуковой части - 3.6 мм;- the length of the supersonic part is 3.6 mm;
- длина дозвуковой части - 2.0 мм;- the length of the subsonic part is 2.0 mm;
- диаметр выходного среза - 8.0 мм.- The diameter of the output cut is 8.0 mm.
2. Трубка 2 в сопле и стержень мишени 32. The
- длина сверхзвуковой части стержня мишени - 3.6 мм;- the length of the supersonic part of the target rod is 3.6 mm;
- диаметр стержня мишени - 0.4 мм;- diameter of the target rod - 0.4 mm;
- длина сверхзвуковой части трубки в сопле - 3.0 мм;- the length of the supersonic part of the tube in the nozzle is 3.0 mm;
- диаметр трубки в сопле - 0.6 мм.- the diameter of the tube in the nozzle is 0.6 mm.
3. Электромагнитная ионная воронка 63.
- толщина кольцевых электродов - 0.1 мм;- the thickness of the ring electrodes is 0.1 mm;
- зазор между соседними кольцевыми электродами - 0.3 мм;- the gap between adjacent ring electrodes is 0.3 mm;
- внутренний входной диаметр - 8.0 мм;- inner input diameter - 8.0 mm;
- внутренний выходной диаметр - 1.0 мм;- inner output diameter - 1.0 mm;
- число электродов в области откачки 7-111 шт., включая- the number of electrodes in the pumping area 7-111 pcs., including
39 шт. во входной цилиндрической части и 72 шт. в конусной части;39 pcs. in the input cylindrical part and 72 pcs. in the conical part;
- число электродов в области высоковакуумной откачки 8-10 шт.- the number of electrodes in the field of high vacuum pumping 8-10 pieces.
Для указанной геометрии источника ионов и комнатной температуры сопла были выполнены газодинамические компьютерные расчеты при следующих давлениях гелия и аргона, которые использовались в качестве буферных газов-носителей:For the indicated geometry of the ion source and the nozzle room temperature, gas-dynamic computer calculations were performed at the following helium and argon pressures, which were used as buffer carrier gases:
- давление торможения (в дозвуковой части сопла) - 120 мбар;- braking pressure (in the subsonic part of the nozzle) - 120 mbar;
- давление в области откачки 7-1.0 мбар;- pressure in the pumping area 7-1.0 mbar;
- давление в области откачки 8-2·10-4 мбар.- pressure in the pumping area 8-2 · 10 -4 mbar.
Так, в качестве иллюстрации на фиг.5 приведены результаты газодинамических расчетов для поля скоростей гелия. Черными линиями со стрелками показаны направления газовых потоков, значения величин скорости газа указаны черными цифрами на белом фоне. Цвет на фиг.5 служит для отображения величин скоростей в газовом потоке: красный - максимальная скорость, синий - минимальная. На фиг.6 результаты тех же расчетов, что и на фиг.5, представлены более подробно для области сверхзвуковой части сопла и входной части электромагнитной ионной воронки 6. Здесь ясно видна вихревая структура газового потока при вязком обтекании трубки 2 в сопле и конца стержня мишени 3.So, as an illustration, figure 5 shows the results of gasdynamic calculations for the helium velocity field. The black lines with arrows show the directions of gas flows, the values of the gas velocity are indicated by black numbers on a white background. The color in figure 5 is used to display the values of the velocities in the gas stream: red - maximum speed, blue - minimum. In Fig. 6, the results of the same calculations as in Fig. 5 are presented in more detail for the region of the supersonic part of the nozzle and the inlet part of the
Оказалось, что для данного примера реализации предлагаемого ионного источника расход гелия через сопло 1 равен 27.8 мбар·л/с, что для давления газа 1.0 мбар в области 7 (см. фиг.3) соответствует скорости откачки форвакуумного насоса 27.8 л/с. При этом натекание гелия в область высоковакуумной откачки 8 составляет всего 0.06 мбар·л/с, и, следовательно, сравнительно небольшой турбомолекулярный насос со скоростью откачки 300 л/с сможет поддерживать в этой области вакуум 2·10-4 мбар (отметим, что при этом вакууме длина свободного пробега в гелии порядка 1 м).It turned out that for this example implementation of the proposed ion source, the helium flow rate through nozzle 1 is 27.8 mbar · l / s, which for gas pressure 1.0 mbar in region 7 (see FIG. 3) corresponds to a evacuation pump evacuation rate of 27.8 l / s. In this case, the leakage of helium into the high-
Аналогичные газодинамические расчеты, выполненные для буферного газа-носителя аргона, показали, что для поддержания в области 7 заданного давления аргона 1.0 мбар в этом случае будет достаточно форвакуумного насоса со скоростью откачки 9 л/с.Similar gasdynamic calculations performed for a buffer argon carrier gas showed that in order to maintain a specified argon pressure in region 7 of 1.0 mbar, a fore-vacuum pump with a pumping speed of 9 l / s will be sufficient in this case.
Результаты указанных газодинамических расчетов (поля температуры, плотности и компонент скорости буферного газа-носителя) были использованы далее в траекторных расчетах ионных пучков с использованием метода Монте-Карло. Траекторные расчеты были выполнены для ионов, испаряемых лазерным лучом из медной и золотой мишеней и формируемых в ионные пучки внутри электромагнитной ионной воронки 6 (фиг.3) в потоках гелия и аргона. Оказалось, что приложенного к кольцевым электродам воронки 6 напряжения U=10 В при частоте F=2 МГЦ достаточно для 100% экстракции ионных пучков в область высоковакуумной откачки 7 (фиг.3).The results of the indicated gas-dynamic calculations (temperature, density fields and velocity components of the buffer carrier gas) were used further in the trajectory calculations of ion beams using the Monte Carlo method. Trajectory calculations were performed for ions evaporated by a laser beam from copper and gold targets and formed into ion beams inside an electromagnetic ion funnel 6 (Fig. 3) in helium and argon flows. It turned out that the voltage U = 10 V applied to the ring electrodes of the
Численные оценки максимально возможного ионного тока, выполненные с учетом негативного влияния объемного заряда ионного пучка, показали, что через рассматриваемую в настоящем примере электромагнитную воронку 6 может быть без потерь пропущен пучок с током 0.5 мкА.Numerical estimates of the maximum possible ion current, performed taking into account the negative effect of the space charge of the ion beam, showed that a beam with a current of 0.5 μA can be passed through without loss of
На фиг.7 и фиг.8 представлены результаты расчетов Монте-Карло для распределений продольных и радиальных компонент скорости ионных пучков меди (Cu+) и золота (Au+), выведенных из ионного источника в область высоковакуумной откачки 8. А на фиг.9 представлены результаты расчетов для кумулятивных распределений этих ионных пучков по радиусу.In Fig.7 and Fig.8 presents the results of Monte Carlo calculations for the distributions of the longitudinal and radial velocity components of the ion beams of copper (Cu + ) and gold (Au + ) extracted from the ion source in the high-
Основные характеристики ионных пучков, полученных в результате описанных выше компьютерных экспериментов, представлены в таблицах 1 и 2.The main characteristics of ion beams obtained as a result of the computer experiments described above are presented in tables 1 and 2.
Как видно из таблиц 1 и 2, низкоэнергетичные ионные пучки, получаемые с помощью предлагаемого ионного источника, имеют очень маленький нормализованный поперечный эмиттанс εN x,y и тепловой разброс ионов по скоростям. Поэтому, последующие их ускорение и фокусировка системой традиционных электростатических линз позволяют получать остро сфокусированные ионные пучки с диаметрами в несколько нанометров для их использования в различных промышленных технологиях наноэлектроники.As can be seen from tables 1 and 2, low-energy ion beams obtained using the proposed ion source have a very small normalized transverse emittance ε N x, y and thermal ionic velocity dispersion. Therefore, their subsequent acceleration and focusing by a system of traditional electrostatic lenses makes it possible to obtain sharply focused ion beams with diameters of several nanometers for their use in various industrial nanoelectronic technologies.
Например, при дальнейшем ускорении ионов до энергий 50-100 кэВ (это обычные энергии ионных пучков, используемых в современных ионно-пучковых промышленных технологиях) и для угловой расходимости пучка (угол полураствора пучка) θ1/2=20°=364 мрад будут получены ионные пучки с диаметрами 500-700 нанометров без потерь интенсивности (т.е. при ионных токах до 0.5 мкА). За счет дополнительного диафрагмирования ионного пучка, что, естественно, сопровождается соответствующими потерями его интенсивности, пучки с токами до 1 нА будут иметь диаметры 20-30 нанометров, а при токах до 10 пА - пучки с диаметрами 2-3 нанометра.For example, with further acceleration of ions to energies of 50-100 keV (these are the usual energies of ion beams used in modern ion-beam industrial technologies) and for the angular divergence of the beam (beam half- angle) θ 1/2 = 20 ° = 364 mrad ion beams with diameters of 500-700 nanometers without loss of intensity (i.e., at ion currents up to 0.5 μA). Due to the additional aperture of the ion beam, which, of course, is accompanied by corresponding losses in its intensity, beams with currents up to 1 nA will have diameters of 20-30 nanometers, and at currents up to 10 pA, beams with diameters of 2-3 nanometers.
Приведенные размеры фокусированных ионных пучков и соответствующие им токи соответствует и зачастую даже превосходят требования современной промышленности в области создания приборов и элементной базы микро- и наноэлектроники.The given sizes of focused ion beams and the corresponding currents correspond to and often even exceed the requirements of modern industry in the field of creating devices and the element base of micro- and nanoelectronics.
Для того чтобы убедиться, что при работе источника ионов с электромагнитной воронкой, состоящей из двух раздельно откачиваемых частей 7а и 7б (см. фиг.4), достигается положительный эффект, состоящий в дополнительном уменьшении необходимой скорости откачки вакуумных насосов, мы выполнили детальные компьютерные эксперименты, аналогичные описанным выше численным исследованиям для основного варианта предлагаемого источника ионов (см. фиг.3). В расчетах задавались следующие величины давлений буферного газа-носителя гелия:In order to make sure that when the ion source is operated with an electromagnetic funnel consisting of two separately pumped parts 7a and 7b (see Fig. 4), a positive effect is achieved consisting in an additional decrease in the necessary pumping speed of vacuum pumps, we performed detailed computer experiments similar to the numerical studies described above for the main version of the proposed ion source (see figure 3). In the calculations, the following pressure values of the buffer helium carrier gas were set:
- давление торможения (в дозвуковой части сопла) - 120 мбар;- braking pressure (in the subsonic part of the nozzle) - 120 mbar;
- давление в области откачки 7а - 5.0 мбар;- pressure in the pumping area 7a - 5.0 mbar;
- давление в области откачки 7б - 1.0 мбар;- pressure in the pumping area 7b - 1.0 mbar;
- давление в высоковакуумной области откачки 8 - 2·10-4 мбар.- pressure in the high vacuum pumping area 8 - 2 · 10 -4 mbar.
В результате расчетов для этого режима работы источника получились следующие величины газовых потоков в различных ступенях дифференциальной откачки установки ионного источника:As a result of calculations for this source operating mode, the following gas flows were obtained at various stages of the differential pumping of the ion source installation:
- расход гелия через сопло 1 (или полный расход) - 27.8 мбар·л/с;- helium flow rate through nozzle 1 (or total flow rate) - 27.8 mbar · l / s;
- натекание гелия из области 7а в область 7б - 0.7 мбар·л/с;- leakage of helium from region 7a to region 7b - 0.7 mbar · l / s;
- натекание гелия из области 7б в высоковакуумную область 8 - 0.06 мбар·л/с.- leakage of helium from region 7b to the high vacuum region 8 - 0.06 mbar · l / s.
При этом необходимо отметить, что ионно-траекторные расчеты по методу Монте-Карло для приведенного режима работы данного варианта источника (см. фиг.4) показали, что ионы эффективно выводятся из источника в условия высокого вакуума, и характеристики получающихся ионных пучков близки к приведенным в таблицах 1 и 2 величинам.It should be noted that the ion-trajectory calculations by the Monte Carlo method for the reduced mode of operation of this variant of the source (see Fig. 4) showed that the ions are effectively removed from the source under high vacuum conditions, and the characteristics of the resulting ion beams are close to those given in tables 1 and 2 values.
Так как расход газа (выраженный в мбар·л/с) есть просто произведение давления на скорость откачки, то из приведенных выше давлений и расходов мы непосредственно получаем искомые величины для скоростей откачки насосов, обеспечивающих заданный режим работы источника:Since the gas flow rate (expressed in mbar · l / s) is simply the product of the pressure and the pumping rate, from the above pressures and flows we directly obtain the desired values for the pumping speeds of the pumps that provide the specified source operation mode:
- скорость откачки области 7а - 5.4 л/с;- pumping speed of the region 7a - 5.4 l / s;
- скорость откачки области 7б - 0.7 л/с;- pumping speed of the area 7b - 0.7 l / s;
- скорость откачки высоковакуумной области 8 - 300 л/с.- pumping speed of the high vacuum region 8 - 300 l / s.
Из приведенных величин видно, что суммарная скорость откачки областей 7а и 7б составляет в этом случае 6.1 л/с, что в 4.5 раз меньше, чем необходимая скорость откачки области 7 в источнике, работающем по схеме фиг.3.From the above values it is seen that the total pumping speed of regions 7a and 7b in this case is 6.1 l / s, which is 4.5 times less than the required pumping speed of region 7 in a source operating according to the scheme of FIG. 3.
Источники информацииInformation sources
1. D.E.Powers, S.G.Hansen, M.E.Geusic, D.L.Michalopoulus and R.E.Smalley, J. Chem. Phys., vol.78, 1983, p.2866.1. D. E. Powers, S. G. Hansen, M. E. Geusic, D. L. Michalopoulus and R. E. Smalley, J. Chem. Phys., Vol. 78, 1983, p. 2866.
2. В.Л.Варенцов, А.А.Матышев, Источник ионных пучков, Роспатент №1463051, приоритет от 18.05.1987, зарегистрирован 25.03.1993 (прототип).2. V.L. Varentsov, A.A. Matyshev, Source of ion beams, Rospatent No. 1463051, priority dated 05/18/1987, registered on 03/25/1993 (prototype).
3. V.L.Varentsov, A.A.Ignatiev, Nucl. Instrum. and Meth., A 413 (1998) 447.3. V.L. Varentsov, A.A. Ignatiev, Nucl. Instrum. and Meth., A 413 (1998) 447.
4. Victor Varentsov, Michiharu Wada, Nucl. Instrum. and Meth., A 532 (2004) 210.4. Victor Varentsov, Michiharu Wada, Nucl. Instrum. and Meth., A 532 (2004) 210.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007122613/28A RU2353017C1 (en) | 2007-06-15 | 2007-06-15 | Low-energy ion beams source for nano electronics technologies |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007122613/28A RU2353017C1 (en) | 2007-06-15 | 2007-06-15 | Low-energy ion beams source for nano electronics technologies |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007122613A RU2007122613A (en) | 2008-12-20 |
RU2353017C1 true RU2353017C1 (en) | 2009-04-20 |
Family
ID=41017924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007122613/28A RU2353017C1 (en) | 2007-06-15 | 2007-06-15 | Low-energy ion beams source for nano electronics technologies |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2353017C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2405463A1 (en) | 2010-07-06 | 2012-01-11 | ETH Zurich | Laser-ablation ion source with ion funnel |
RU2649883C1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-04-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of gas supply to supersonic nozzle of gas cluster ion accelerator |
-
2007
- 2007-06-15 RU RU2007122613/28A patent/RU2353017C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2405463A1 (en) | 2010-07-06 | 2012-01-11 | ETH Zurich | Laser-ablation ion source with ion funnel |
WO2012003946A1 (en) | 2010-07-06 | 2012-01-12 | Eth Zurich | Laser-ablation ion source with ion funnel |
RU2649883C1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-04-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of gas supply to supersonic nozzle of gas cluster ion accelerator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007122613A (en) | 2008-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhurin | Industrial ion sources: Broadbeam gridless ion source technology | |
JP4416632B2 (en) | Gas cluster ion beam irradiation apparatus and gas cluster ionization method | |
US20130180844A1 (en) | Switchable gas cluster and atomic ion gun, and method of surface processing using the gun | |
EP2485571B1 (en) | High-current single-ended DC accelerator | |
JP2007277708A (en) | Film deposition apparatus and method of film deposition | |
US9305746B2 (en) | Pre-aligned nozzle/skimmer | |
US7755065B2 (en) | Focused ion beam apparatus | |
US8993982B2 (en) | Switchable ion gun with improved gas inlet arrangement | |
JP2019050203A (en) | GCIB nozzle assembly | |
JP5105729B2 (en) | Processing method with gas cluster ion beam | |
EP0203573B1 (en) | Electron beam-excited ion beam source | |
RU2353017C1 (en) | Low-energy ion beams source for nano electronics technologies | |
Moritani et al. | Extremely low-energy projectiles for SIMS using size-selected gas cluster ions | |
US7566888B2 (en) | Method and system for treating an interior surface of a workpiece using a charged particle beam | |
US9576767B2 (en) | Focused ion beam systems and methods of operation | |
JP4571003B2 (en) | Cluster ion beam equipment | |
KR20150057978A (en) | Apparatus for Fabricating 3D Nano Structure and Method of Construction Using the Same | |
EP2590734A1 (en) | Production of nanoparticles | |
Varentsov | Focused ion beam source of a new type for micro-and nanoelectronics technologies | |
WO2010029929A1 (en) | Ion irradiation device | |
JP6752449B2 (en) | Ion beam neutralization method and equipment | |
JP2010218901A (en) | Gas cluster ion beam irradiation device | |
KR20100029651A (en) | Radiation pressure vacuum pump or electron beam vacuum pump | |
JP2007317491A (en) | Method and apparatus for ionizing cluster | |
Tao et al. | Guiding of plasma by electric field and magnetic field |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100616 |