Исследование и моделирование процессов формирования электронных пучков и их взаимодействия с поверхностью твердых тел как основа разработки прецизионного электронно-лучевого технологического оборудования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

, к

- о 1 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ II ИОННОЙ ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 537.533.3

ФИЛАЧЕВ АНАТОЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ

Исследование и моделирование процессов формирования электронных пучков и их взаимодействия с поверхностью твердых тел как основа разработки прецизионного электронно-лучевого технологического оборудования

Специальность: 01.04.04 - Физическая электроника

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада

на соискание ученой степенп доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском институ электронной и ионной оптики.

Официальные оппоненты:

академик РАН РФ, профессор доктор технических наук, профессор

Гуляев Ю.В. Масленников О.Ю.

доктор физико-математических наук,профессор Уласюк В.Н.

Ведущая организация:

Московский институт электроники и математики (Техническ! университет)

Защита диссертации состоится 30 декабря 1997 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.063.91.03 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер. , дом 9, МФТИ, ауд. 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ Диссертация в виде научного доклада разослана 28 ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физ.-мат. наук Скорик В.А.

Содержание работы

ава 1. Состояние проблемы и общая характеристика работы.

ава 2. Компьютерное моделирование электронных пучков в ЭЛТУ.

2.1. Моделирование электронных пушек.

2.2. Моделирование осесимметричных фокусирующих магнитных тей.

2.3. Моделирование полей отклоняющих магнитных систем.

2.4. Некоторые особенности вычислительных алгоритмов .

2.5. Назначение и возможности пакета прикладных программ HARGE".

2.6. Результаты численных экспериментов.

ава 3. Теоретические и экспериментальные исследования электронных эцессов в диэлектриках при обработке их поверхности электронным

ikom.

3.1. Физическая модель электронно-лучевой обработки электриков.

3.2. Экспериментальное оборудование.

3.3. Экспериментальные исследования явлений, возникающих при :ктронно-лучевой обработке поверхностей диэлектриков.

3.4. Анализ экспериментальных результатов.

ава 4. Новые принципы и устройства для компьютерного управления миологическими процессами в ЭЛУ.

ава 5. Разработка электронно-лучевого технологического эрудования нового поколения.

5.1. Электронно-лучевая установка для прецизионной обработки по )>кным контурам.

5.2. Мобильный радиационно-технологический комплекс.

5.3. Электронно-лучевая установка для отжига полупроводниковых териалов.

ключение.

Глава 1. Состояние проблемы и общая характеристика работы

Предмет исследования и актуальность темы

Предлагаемая диссертационная работа относится к области физичес электроники, в частности, к исследованиям процессов формирована взаимодействия электронных пучков с материалами в технологичес процессах обработки электронным пучком. Электронно-луче! технологии достаточно широко используются в точном приборострое* микроэлектронике, машиностроении, медицине, экологии и т.д..

Расширение спектра электронно-лучевых технологий, разработка но] видов оборудования для их реализации, существенное улучше параметров внедренных в промышленность типов обрудования неразры связаны с успехами физической электроники, вакуумной техники, физ вакуума и поверхности, электронной оптики. Значительную роль игр повышение уровня автоматизации управления технологическ! процессами на основании исследований вторичных электрон ионизационных процессов, сопровождающих воздействие электронн пучка на объект обработки.

Процессы и установки электронно-лучевой технологии слу> объектом многочисленных исследований. Однако, тщательный ана основных наиболее значительных работ в виде монографий и обзо [1 - 5] показывает, что практически отсутствуют исследован направленные на установление количественных взаимосвязей мез электронно-оптическими параметрами первичного электронного пуч* процессами и явлениями на поверхности обрабатываемого издех доведенные до уровня создания автоматизированных промышлеш установок прецизионной электронно-лучевой обработки поверхно твердых тел.

К сожалению, в последние годы в России работы в области созда электронно-лучевого оборудования для прецизионной обрабо приостановлены в связи с финансовыми трудностями, а предприя: выпускающие разработанное ранее электронно-лучевое оборудование ( технологическое, так и аналитическое) оказались вне границ России.

В этих условиях исследования процессов формирования электрон] пучков и их взаимодействия с веществом, связанные с повышен: эксплуатационных характеристик существующих и разработкой но] типов установок для электронно-лучевой обработки, являются особе актуальными.

Актуальность настоящей диссертационной работы подтверждаете: соответствием Федеральной программе "Критические технологии Президентской программе "Национальная технологическая база".

Спектр применения в промышленности электронно-лучевых и ионно-{евых технологий чрезвычайно широк. Особо следует отметить дующие виды технологий":

• прецизионная электронно- и ионно-лучевая термическая размерная заботка материалов и изделий, в том числе прецизионная гравировка, рление отверстий в твердых материалах с большой скоростью и пр.;

■ высококачественная электронно-лучевая сварка и микросварка;

• электронно-лучевая технология испарения с осаждением нослойные и многослойные покрытия, в том числе энергосберегающие);

• ионно-лучевая технология (в том числе имплантация, травление, тетка, распыление с осаждением многослойных покрытий , включая )светляющую оптику, и ряд других);

■ ионно-плазменная технология (очистка, травление в 1упроводниковом производстве, в точном оптическом приборостроении, [ашиностроении);

• высокоэнергетические электронно- и ионно-лучевые системы (новые ;нологии обработки высокоэнергетическими пучками в медицине, 1ример, при лечении онкологических заболеваний, а также при решении

га экологических проблем, например, обеззараживание питьевой воды рунта в случае чрезвычайных ситуаций);

• электронно-и ионно-лучевое аналитическое приборостроение: эевечивающая и растровая электронная микроскопия, микроанализ и

Этот весьма не полный перечень использования электронно- и нонно-гевых технологий показывает необходимость проведения исследований елью создания научной базы разработки, проектирования и внедрения громышленность нового ряда современного автоматизированного

■ктронно-оптического оборудования.

Разработка современного надежного оборудования рассматриваемого асса невозможна без компьютерного моделирования процессов рмирования электронных пучков с заданными энергетическими и ^метрическими параметрами. До последнего времени параметры ;ктронных пучков исследовались в основном экспериментальными тодами в уже изготовленных установках. В настоящей работе гдлагаются новые универсальные физико-математические модели и фаботанные на их базе алгоритмы и программы для компьютерного целирования и исследования характеристик электронных пучков во всех жтронно-оптических элементах ЭЛУ, включая термоэмиссионную ;тему (электронную пушку), область формирования электронного зонда

магнитной линзой, систему отклонения электронного пучка, и, нако] область взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым издел! Высокая степень адекватности компьютерного моделирования реалы физическим процессам обеспечивается использованием эффектив! методов и алгоритмов современной вычислительной электронной опт! в том числе, интегральных методов расчета физических поле аберрационных методов расчета электронных траекторий. Разработан] под руководством и при участии автора пакет прикладных программ компьютерного моделирования ЭЛУ включает в себя программ] модули, предназначенные для расчета электрических и магнитных пс с учетом разномасштабности электродов термоэмиссионной систе пространственного заряда пучка и влияния характеристик матери магнитопровода, а также расчета как отдельных траекторий, та функций распределения плотности тока при прохождении пучком в электронно-оптической системы ЭЛУ от эмиттера до обрабатываем изделия. Результаты расчета параметров электронных пучков хоре коррелируют с экспериментальными данными, представленным литературе. Использование разработанного пакета программ ] проектировании специализированных ЭЛУ весьма перспективно с то зрения повышения качества и снижения сроков и стоимости разработ<

Другое направление работ, важное для создания нового поколе автоматизированного электронно-лучевого оборудования, заключает* исследовании взаимодействия электронных пучков с диэлектрикам металлами (как в твердой, так и в жидкой фазе) с целью научг обоснованного определения параметров электронного пучкг оптимальных режимов управления технологическими процессами.

Цель работы:

Основная цель диссертационной работы заключается в создании нау^ технических основ разработки нового поколения автоматизированн электронно-лучевого технологического оборудования различи назначения на базе высокоточного компьютерного моделирова процессов формирования электронных пучков с заданными параметра в проведении широкого спектра теоретических и эксперименталы исследований взаимодействия электронного пучка с обрабатывав}* материалом (металлами и диэлектриками) для разработки и внедре новых электронно-лучевых технологий, а также в создании новых ти конкурентноспособного электронно-лучевого технологическ оборудования.

3 ходе работы решались следующие задачи:

разработка физико-математических моделей формирования ктронного пучка в электронно-лучевых установках технологического начения, а также технических требований на разработку тветствующего программного обеспечения,

разработка физической модели и проведение экспериментальных ледований взаимодействия импульсного электронного пучка с лектриком,

разработка аппаратных средств и программного обеспечения для шьютерного управления прецизионной ЭЛУ для гравирования и мерной обработки по сложным контурам.

разработка и внедрение в производство ряда новых электронно-лучевых ановок, в том числе, компьютернографического комплекса для цизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и [индрической формы по сложным контурам, мобильного комплекса для юния экологических проблем в чрезвычайных ситуациях, двухлучевой ктронно-лучевой установки для поверхностной зонной ристаллизации кремниевых пластин.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в 1, что:

1. Построены новые специализированные физико-математические цели, описывающие комплекс процессов формирования и шспортировки электронного пучка в ЭЛТУ с учетом разброса >моэлектронов по скоростям, температуры термокатода, эффектов >аничения тока пространственным зарядом вблизи поверхности 1ттера, а также аберрационных эффектов, связанных с прохождением ктронного пучка через систему электростатической или магнитной сусировки и систему магнитного отклонения.

Указанные результаты послужили основой для разработки пакета складных программ, предназначенного для компьютерного целирования и оптимизации электронно-оптических характеристик ТУ (пакет прикладных программ в настоящее время внедрен в ГП [ИЭИО). Важное достоинство моделей и вычислительных алгоритмов, лизоваиных в пакете прикладных программ, заключается в том, что I не используют никаких дополнительных предположений о фазовых )актеристиках электронного пучка при переходе от одного элемента ктронно-оптической системы к другому (например, от электронной пки к магнитной фокусирующей системе), а позволяют осуществить озной расчет всего многообразия электронных траекторий через все ктронно-оптические элементы колонны.

2.Разработана новая физическая модель взаимодействия электрон! пучка с диэлектрическими материалами с учетом накопления, движен стекания в вакуум пространственного заряда, вносимого электрон; пучком.

Впервые обнаружен и исследован эффект стекания из стекол зар внесенного электронным пучком, обусловленным "убеганием" электрс в сильных краевых электрических полях вплоть до энергии, достаток для их эмиссии в вакуум. Этот эффект позволяет создав высококачественные электронно-гравированные изображения поверхности диэлектриков(стекол).

3. Разработаны новые аппаратные средства и программное обеспеч« для компьютерного управления электронно-лучевой установ! предназначенной для прецизионной обработки поверхностей твердых по сложным контурам. В основу данной разработки положена оптимизг амплитудно-частотных характеристик усилителей и переход; характеристик шаговых двигателей, что позволило созх специализированный контроллер, обеспечивающий связь ПЭВ управляющими органами ЭЛТУ.

4. Создана и сдана в опытную эксплуатацию уникальная электро] лучевая установка для нанесения сложных художественных изображс на изделия из металлов и диэлектриков.

Практическая значимость диссертации заключается в следующее

1. На основе проведенных исследований создана научно-методиче< база и программное обеспечение для проектирования электронно-луче! технологического оборудования нового поколения с автоматизирован; компьютерным управлением, а также предложена методика разрабс технологических карт для обработки материалов с различи! физическими свойствами.

2. Разработан и внедрен в опытное произволе компыотернографический комплекс для прецизионной обработки изде из металлов и диэлектриков плоской и цилиндрической формы по слож. контурам.

3. Разработан мобильный комплекс для решения экологических проб в чрезвычайных ситуациях.

4. Разработана и сдана в опытную эксплуатацию двухлуче электронно-лучевая установка для поверхностной зон рекристаллизации кремниевых пластин, весьма актуальная для реше ряда задач микроэлектроники.

Эсновные положения, выносимые на защиту.

Физико-математические модели формирования электронных пучков пектронно-лучевых технологических установках, учитывающие в ■шлексе разброс термоэлектронов по скоростям, температуру

мокатода, эффекты ограничения тока пространственным зарядом, а же аберрационные эффекты, связанные с прохождением электронного :ка через систему электростатической или магнитной фокусировки и тему магнитного отклонения. Указанные модели являются надежной шслительной базой для создания системы автоматизированного •ектирования прецизионных электронно-лучевых технологических ановок.

>. Физическая модель накопления, движения и стекания в вакуум заряда, симого в диэлектрики при их обработке электронным лучом. Согласно й модели получение высококачественных электронно-гравированных бражений на поверхности диэлектриков (стекол) оказывается можным благодаря впервые обнаруженному и исследованному эффекту кания из стекол внесенного заряда, обусловленному "убеганием" ктронов в сильных краевых электрических полях вплоть до энергии, таточной для их эмиссии в вакуум.

5. Устройства, алгоритмы и программы для управления электронно-евой установкой прецизионной обработки по сложным контурам. 4. Электронно-лучевое оборудование для прецизионной обработки >скнх н цилиндрических изделий из металлов и диэлектриков, в том ле, компьютернографический комплекс для прецизионной обработки елий из металлов и диэлектриков плоской и цилиндрической формы по окным контурам, мобильный комплекс для решения экологических )блем в чрезвычайных ситуациях, двухлучевая электронно-лучевая ановка для поверхностной зонной рекристаллизации кремниевых .стин.

Совокупность результатов и выводов, полученных в диссертации, кет быть квалифицирована как решение крупной актуальной научно-

нической проблемы, связанной с созданием научно-технических основ работки нового поколения конкурентноспособного ■оматизированного электронно-лучевого технологического >рудования различного назначения на базе высокоточного тьютерного моделирования процессов формирования электронных [ков с заданными параметрами и проведения широкого спектра ретических и экспериментальных исследований взаимодействия ктронного пучка с обрабатываемым материалом (металлами и лектриками).

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы докладывались Международных конференциях по оптике заряженных частиц в Сан Ди (США, 1996, 1997 г.г.), на пятой Международной конференции электронно-лучевым технологиям в Варне (Болгария, 1997 год), Всероссийском семинаре "Проблемы теоретической и приклад* электронной оптики" (Москва, 1996, 1997 г.г.) и опубликованы в печатных работах.

Образцы оборудования, разработанного в рамках диссертациош работы, экспонировались на следующих международных выставка: салонах:

Всемирный салон изобретений "Брюссель - Эврика" (1994г.- золо медаль, 1995г. - две золотые медали, 1996г. - специальный приз и мед; "Альберта Швейцера").

25-ый международном салоне инноваций в Женеве ( 1997г.- золо медаль).

Глава 2. Компьютерное моделирование электронных пучков в ЭЛ'

Компьютерное моделирование, как один из наиболее важных элемен-проектирования и оптимизации конструкций ЭЛТУ, включает в себя рас характеристик электронного пучка на всех этапах его формированш электронной пушке, в фокусирующей системе, в системе отклонения 1 развертки. Рассматриваемая проблема содержит в себе целый наС взаимосвязанных серьезных задач математической физики, электрон! оптики, вычислительной математики и программирования.

В данной главе представлены результаты разработки программа обеспечения для компьютерного моделирования ЭЛТУ с магнитной I комбинированной фокусировкой и магнитным отклонением.

2.1. Моделирование электронных пушек

Назначение электронной пушки, как одного из основных элемен' ЭЛТУ, заключается в генерировании и формировании электронного пу1 в виде совокупности электронов, эмиттированных катодом. Как прави с этой целью в электронных пушках применяются электростатичес] поля, хотя в ряде специальных случаев возможно дополнителы использование и магнитных полей [5,6]. Электростатическая электрон! пушка (генератор электронного пучка) состоит из катода, блс управляющих электродов и анода (см.рис.2.2, 2.3).

Блок управляющих электродов может содержать несколько электрод

и

тдающих различными потенциалами относительно катода, и ;дназначен для первичной фокусировки электронного пучка. Для ктронно-лучевой технологии наиболее важны осесимметричные ктронные пушки, электроды которых (а с ними электростатическое

[е и электронный пучок) обладают осевой симметрией. Цалее рассматриваются термоэмиссионные электронные пушки, очником (эмиттером) электронов в которых является нагреваемый мокатод.

Цля достаточно полного описания свойств электронной пушки как ¿ератора электронного пучка необходим расчет следующих »актеристик:

вольт-амперной характеристики,

распределения плотности эмиссионного тока по катоду, положения плоскости кроссовера,

распределения плотности тока в электронном пучке в произвольной »скости, перпендикулярной главной оптической оси пушки.

Модели термоэлектронной эмиссии

Современная теория термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов :овывается на следующих двух фундаментальных предположениях [7,8].

1. Электронные состояния в металле представляются моделью мерфельда-Бете, в рамках которой металл рассматривается как обьем остоянным внутренним потенциалом, более низким, чем в соседних суумных областях. Квантовомеханическое движение электронов >водимости, ведущих себя как свободный газ, описывается стоячей [ной с узлами на поверхности твердого тела.

2. Все термоэлектронные функции описываются распределением Ферми-

рака: р_с

/(Е,Т) = 1 + ехр(^) , (2.1)

где -постоянная энергия соответствующего одночастичного движения,

/ровень Ферми, £ -постоянная Больцмана.

В рамках указанных предположений можно показать, что плотность 1ССИОННОГО тока с поверхности термокатода имеет вид:

вя? — ехр--ФьФА, (2.2)

пде Рох>Роу>Рог - проекции импульса электрона в локальной системе

координат, связанной с фиксированной точкой на поверхности эмип (ось z направлена по нормали к эмиттеру); ц/ - работа выхода эмитт Т - температура катода в градусах Кельвина; D(p0x,p0y,p0z коэффициент прозрачности, представляющий собой отношение пот электронов, выходящих через поверхность эмиттера, к потоку электро] падающих изнутри на эту поверхность; fa - постоянная Планка, постоянная Больцмана.

Следуя наиболее распространенным моделям термоэмиссии, мы бу полагать D = const- Как указано в [8], вопрос о коэффицие прозрачности, а следовательно, о распределении термоэлектроноЕ скоростям существенно усложняется при отказе от модели свобод: электронов и переходе к реальному кристаллу.

Плотность эмиссионного тока насыщения, проходящего через един поверхности эмиттера, в рассматриваемом приближении выража« уравнением Ричардсона - Дэшмена:

ч W

jes = A,D{kT)2^ p-jL. , (2.

где А^ = Ажтек~2 - универсальная постоянная, ^ - сред коэффициент прозрачности на границе твердое тело-вакуум.

Введя в пространстве начальных импульсов [рох,Роу>Poz] сферичес систему координат, распределение (2.2) можно записать в виде

d3j, = sinQ,cosQdEdQda) =

Je h2 kT

(2.

1 ;' E

=--^-x-Еехp--sinilcos QdEdQdco

тс{кТ)2 kT

Здесь E - полная начальная энергия частицы, Q - угол между векто начальной скорости частицы и нормалью к поверхности катода, азимутальный угол в плоскости, касательной к поверхности катода.

Функция

jn j^t

характеризует распределение термоэлектронов по энерги Рассматриваемому распределению соответствует наивероятная эне£

Е0 = кТ, средняя энергия Е = 2кТ и дисперсия энергии = кТ

Угловое распределение плотности термоэлектронного тока, гдставляющее собой дифференциальный элемент полного тока, ¡есенный к телесному углу <?¥ = sinQ.dQ.dci), может быть получено из ?) интегрированием по всем положительным значениям энергии:

dvj = — j.cosQcW , (2.6)

ж

что соответствует известному закону Ламберта.

Расчет самосогласованного поля в электронной пушке

Центральной проблемой компьютерного моделировании электронных лек, а также других эмиссионных электронно- и ионно-оптических тборов и устройств, в которых пространственный заряд пучка играет цественную роль, является численное решение самосогласованной 1екторно-полевой задачи в области, прилегающей к поверхности 1ттера. Влияние пространственного заряда проявляется в радикальной эестройке структуры электрического поля и, соответственно, ктронного пучка вблизи поверхности эмиттера. Известно [9], что при »веансе выше ю^Л / В?12 это может привести к "запиранию" отдельных i эмиттера или всего эмиттера в целом. Указанные эффекты носят цественно нелинейный самосогласованный характер, и возможность шенения метода возмущений по току эмиссии здесь весьма ограничена. Основу наиболее распространенных подходов к численному делированию интенсивных электронных пучков составляет ^рационная процедура решения самосогласованной задачи, ночаюгцая в себя следующие этапы:

1) численное решение уравнения Пуассона с известной правой частью заданными граничными условиями на поверхности электродов;

2) расчет семейств электронных траекторий в известных внешних полях четом распределения термоэлектронов по скоростям;

3) расчет и сглаживание распределения пространственного заряда. Совместная реализация указанных процедур и достижение эффективной димости итерационного процесса является весьма сложной проблемой, бующей применения наиболее эффективных численных методов расчета ктростатических полей и электронных траекторий. Основу алгоритмов :чета электронных пушек в представленном ниже ППП "CHARGE" и модификациях составляет метод интегральных уравнений Фредгольма э рода и теория аберраций. Детально указанные вопросы освещены в ютах [10-13].

Следует отметить, что численное решение уравнения Пуассона связано

с расчетом большого числа электронных траекторий. Простые оце показывают, что для выполнения лишь одной итерации по peuiei самосогласованной задачи без применения каких-либо аппроксимащ прикатодной области требуется порядка 105—107 траекто! Разумеется, рассчитать такой объем траекторий путем прямого числеш решения уравнений движения является чрезвычайно трудной задачей д для самых современных быстродействующих компьютеров.

Эффективное решение проблемы расчета траекторий может б получено на основе аберрационных методов, позволяющих предста! электронную траекторию в виде асимптотического разложения некоторой совокупности малых параметров (например, началь: скоростей и расстояний заряженной частицы от главной оптической с Как правило, такие разложения представляют собой полиномы степен выше третьей, что позволяет осуществлять чрезвычайно быстрый ра< электронных траекторий. Построение аберрационных разложений эмиссионных систем обладает рядом специфических особенностей, кото детально рассмотрены в работах [11-14]. Важным достоинством развит в этих работах метода t-вариаций является то, что он позво; осуществить "сквозной" просчет электронных траекторий в систе; состоящих из различных по своей физической природе электроь оптических элементов, разделенных бесполевыми промежутк (электронных пушек, электро/магнитостатических или комбинирован фокусирующих систем, отклоняющих систем и т.п.). После/ обстоятельство делает метод t-вариаций весьма эффективным компьютерном моделировании ЭЛТУ.

2.2. Моделирование осссимметричных фокусирующих магнитных пс

Фокусировка электронных пучков в ЭЛТУ может осуществляться помощи осесимметричных электро/магнитостатических комбинированных полей. В данном разделе мы кратко охарактери: пакет прикладных программ "РАМП", [16,17], который использует ППП "CHARGE" в качестве программного модуля для рас1 фокусирующих магнитостатических полей.

Пакет "РАМП" реализует решение двумерных смешанных крае задач для линейных или квазилинейных эллиптических дифференциаль уравнений в декартовой или цилиндрической системах координа' магнитостатических задачах материальные свойства среды задак экспериментальными или аналитическими кривыми, описывающ зависимости между напряженностью поля и магнитной индукцией, а та

шсимость плотности тока от характеристик поля. Решение краевых хач проводится методом конечных элементов с кусочно-линейными зисными функциями на треугольных элементах. В пакете реализованы горитмы автоматического построения сеток с адаптацией к ^метрическим особенностям границы области и сгущением узлов в ебуемых подобластях. Решение систем линейных уравнений с зреженными матрицами высокого порядка осуществляется фективными модифицированными методами неполной факторизации с сорением сопряженными градиентами. Для решения нелинейных систем нменяются ньютоновские итерационные процессы в комбинации с следовательной релаксацией. Пакет "РАМП" включает в себя блиотеку характеристик большого количества ферромагнитных териалов.

2.3. Моделирование полей отклоняющих магнитных систем

Методы расчета полей в магнитных отклоняющих системах, именяемых для сканирования электронного луча относительно верхности мишени в ЭЛТУ, рассмотрим на примере тороидальной гнитной системы, представляющей собой совокупность двух пар гушек, повернутых относительно друг друга на угол 90° и намотанных ферритовый стержень таким образом, что каждый виток находится в ридиональной плоскости.(рис.2.1).

...........с^з-55

............ЕЩ&г«* г

Рис.2.1. Меридиональное сечение магнитной отклоняющей системы

тороидального типа.

В соответствии с [7,18], при достаточно высокой магнитной оницаемостисердечника(// > 104)напряженность и магнитного поля утри сердечника пренебрежимо мала. Полагая, что отклоняющие токи столь высоки, чтобы вызвать эффекты насыщения (это обычно полняется на практике), граничные условия на поверхности катушек в

можно записать в приближении поверхностных токов следующим образ ЩгР) п(д,) = а(гр) (Гр Г) , (2.-

где 0)(гР) - поверхностный ток, а пР - внешняя нормаль к поверхно G. В рассматриваемом приближении из (2.7) следует скалярное гранич условие <о

<Рт(<») = <Рт о+ J{o))dco , (2.:

о

где J{<x>) - заданное азимутальное распределение тока на поверхно G, Фтй - постоянная, которую без ограничения общности можно полож равной нулю.

Таким образом, скалярный потенциал <рт является решением зад; Дирихле для уравнения Лапласа с осесимметричной границе! неосесимметричными граничными условиями (2.8). Это обстоятельс существенно упрощает расчет поля рассматриваемой магнит! отклоняющей системы. Представляя J(co) в виде отрезка ряда Фурье азимутальному углу w:

N

J {со) = Re Jk(rp)Qxp[ikco] (гР Г) , (2.

it=i

где Jk - амплитуды Фурье, задачу расчета отклоняющего п нетрудно свести к уравнению Гельмгольца

d2Uk d2Uk 2Jc + UUk

-+-^ +--— = 0 (2..

дгг дг2 г дг

относительно соответствующих гармоник Uk(r,z) магнитн потенциала q>m.

Для вычисления гармоник Uk(r,z) используются интегралы представления решений уравнения Гельмгольца вида (2.16), (2. являющиеся частным случаем полученных в [19] общих соотноше между вариациями потенциалов и геометрии граничных электроде возмущениями потенциала в произвольной точке пространства.

2.4. Некоторые особенности вычислительных алгоритмов в llllii "CHARi

В настоящей версии ППП "CHARGE" применяется традицион двухэтапная схема расчета кулоновского потенциала, предполагаю] предварительный расчет распределения пространственного заряда

шдой итерации. В осесимметричном случае кулоновское поле пучка зачитывается на двумерной сетке при помощи гауссовских

задратурных формул. Для вычисления возникающих при этом глиптических интегралов используется известные полиномиально-згарифмические аппроксимации. Распределение термоэлектронов по :оростям моделируется при помощи датчика псевдо-случайных чисел, 'о при фиксированном количестве электронных траекторий обеспечивает эльшую устойчивость и гладкость распределений пространственного 1ряда и кулоновского потенциала по сравнению с детерминированным ггегрированием.

Для вычисления потенциала "зеркального изображения", а также для асчета гармоник отклоняющих магнитных полей в приближении зверхностных токов, разработана специальная процедура построения 1скретного матричного аналога функции Грина. При расчете термоэмиссионных электронных пушек в ППП "CHARGE" огут быть использованы два различных режима расчета электронных заекторий.

Первый режим, называемый режимом квадратичного потенциала, рименяется для расчета траекторий в области, непосредственно

рилегающей к эмиттеру. Размер этой области определяется тгоритмически в процессе счета и зависит от структуры поля вблизи зверхности эмиттера. Суммарный электростатический потенциал <р(Р) элизи фиксированной точки р эмиттера представляется в виде задратичного разложения, в котором градиент потенциала и матрица горых производных (гессиан) вычисляются при помощи специального тгоритма, основанного на полиномиальном сглаживании. Затем, с рименением алгоритма сингулярных разложений [20], указанная задратичная форма приводится к каноническому виду, что позволяет элучить точные аналитические представления электронных траекторий рассматриваемом приближении.

Вычислительные эксперименты показали, что режим квадратичного этенциала является весьма прецизионным с точки зрения моделирования энкой структуры пространственного заряда вблизи поверхности ¿иттера, однако приближение плоского диода (см.ниже) является более зедпочтительным с точки зрения вычислительных затрат.

Второй режим расчета электронных траекторий, называемый эеррационным, применяется для построения траекторий частиц, эладающих достаточно большой начальной энергией, позволяющей им зойти сквозь потенциальный барьер, образованный пространственным

зарядом, покинуть область эмиттера и принять участие в дальнейш формировании электронного пучка. Аберрационные траектор рассчитываются при помощи упомянутого выше метода t-вариаций.

Для более достоверного и устойчивого моделирования тонк структуры пространственного заряда, имеющего резкие максимумь области, непосредственно прилегающей к эмиттеру (характерный разы области обычно составляет несколько десятков микрон), а также в облас кроссовера, где плотность пространственного заряда также вели] предусмотрена возможность генерирования существенно неравномерн сеток. Проведенные численные эксперименты показали, что для достижек необходимой устойчивости сетка кулоновского потенциала должна бь существенно мельче сетки пространственного заряда.

Численные эксперименты показали, также,что построен итерационной процедуры решения самосогласованной задачи на оснс прямого расчета электронных траекторий в прикатодной облас приводит к весьма существенным затратам машинного времени, что всегда позволяет реализовать эффективную сходимость. Для преодолен этой трудности и получения практических результатов с меньши вычислительными затратами, наряду с описанным выше, был использое хорошо зарекомендовавший себя на практике более экономичный алгори решения самосогласованной задачи со специальным выделени прикатодной области на основе теории плоского диода в реализащ предложенной И.Ш.Белугой и И.М.Соколовой [21].

Основное упрощение этого подхода, позволяющее существенно сшш о бьем необходимых вычислений, состоит в том, прикатодная облас рассматривается как совокупность конечного числа концентрическ элементарных диодов, аноды которых располагаются на небольш (порядка 50- 100 мкм) расстоянии от катода, и к каждому из так элементарных диодов применяются аналитические результаты строг теории. Потенциал каждого из анодов пересчитывается на кажд итерации, и вслед за этим пересчитаваются плотность тока и скорос электронов. По рассчитанным траекториям электронов находит распределение плотности объемного заряда, вновь решается ypaunei Пуассона и т.д.

2.5. Назначение и возможности пакета прикладных программ "CHARG

ППП "CHARGE", разработанный под руководством и при участ автора, предназначен для компьютерного моделирования и проектировав ЭЛТУ, включающих в себя термоэмиссионную электронную пушк; электростатическим управлением, магнитную или комбинирована

• кусирующую систему и систему магнитного отклонения. В ответствии со своим назначением, ППП "CHARGE" выполняет мпьютерное моделирование следующих процессов:

• формирования электронного пучка электронной пушкой,

• фокусировки электронного пучка осесимметричной магнитной или мбинированной электронно-оптической системой,

• отклонения электронного пучка магнитной отклоняющей системой. Решение указанных задач в пакете "CHARGE" обеспечивается новными программными модулями "GUN", "BEAM", "RAMP" и )ENS", имеющими взаимно-согласованную структуру входных и гходных данных и способными функционировать как совместно, так и тономно. Графическая визуализация результатов на всех этапах расчета уществляется при помощи программного модуля "DEMON". Формирование электронного пучка в электронной пушке. Самосогласованный расчет основных полевых электронно-оптических рактеристик осесимметричных электростатических термоэмиссионных ектронных пушек с учетом пространственного заряда и разброса рмоэлектронов по скоростям осуществляется программными модулями 5UN", "BEAM", "DENS" и включает в себя:

• расчет лапласовского электростатического потенциала, создаваемого гктродами электронной пушки (модуль "GUN");

• расчет распределения плотности пространственного заряда (модуль tUN");

• расчет распределения кулоновского потенциала и его производных одуль "GUN");

• расчет распределения потенциала "зеркального изображения" и его оизводных; (модуль "GUN");

• расчет распределения суммарного пуассоновского потенциала и его оизводных (модуль "GUN");

• расчет вольт-амперной характеристики электронной пушки (модуль rUN").

• расчет распределения плотности тока по катоду (модуль "GUN);

• расчет электронных траекторий пучка (модуль "BEAM);

• расчет положения плоскости кроссовера (модуль "BEAM);

• расчет распределения плотности тока в произвольной плоскости, рпендикулярной главной оптической оси пушки (модуль DENS). Поскольку решение самосогласованной задачи осуществляется •ерационным образом, все вышеперечисленные характеристики ссчитываются на каждой итерации и могут быть визуализированы по :ланию пользователя.

Фокусировка электронного пучка осеснмметричной магнитной i комбинированной электронно-оптической системой

Расчет полевых и электронно-оптических характерно' осесимметричных магнитных (или комбинированных) фокусируют систем в пакете "CHARGE" осуществляется программными модуш "RAMP", "BEAM", "DENS" и включает в себя:

• расчет распределения фокусирующих магнитных (i комбинированных) полей, создаваемых совокупностью осесимметрич! электродов, магнитных катушек и магнитопроводов с учетом насыще (модуль "RAMP");

• расчет электронных траекторий пучка в аберрационном приближе] до третьего порядка включительно (модуль "BEAM");

• расчет кардинальных элементов электронной линзы (модуль "BEAK

• построение фигуры рассеяния электронного пучка для задаш рабочей области термокатода (модуль "DENS");

• расчет распределений плотности тока в двух взаим перпендикулярных направлениях в произвольной плоское перпендикулярной главной оптической оси (модуль "DENS");

Отклонение электронного пучка магнитной отклоняющей системой

Расчет полевых и электронно-оптических характеристик магнит! фокусирующих систем в пакете "CHARGE" выполняется программнь модулями "BEAM" и "DENS" и включает в себя:

• расчет распределений пространственных гармоник (до трет включительно) отклоняющего магнитного поля и его производных вд главной оптической оси, а также вдоль произвольной главной траекто; пучка (модуль "BEAM");

• расчет электронных траекторий пучка в аберрационном приближе: до третьего порядка включительно относительно главной траекто] пучка (модуль "BEAM");

• построение фигуры рассеяния отклоненного электронного пучка заданной рабочей области термокатода (модуль "DENS");

• расчет распределений плотности тока в двух взаим перпендикулярных направлениях в произвольной плоское перпендикулярной главной оптической оси (модуль "DENS");

• определение и оптимизация плоскости наилучшей фокусиро] электронного пучка на мишени в режиме отклонения (модуль "DENS'

Графическая визуализация результатов

Гибкая графическая визуализация результатов расчета характерис ЭЛТУ в ППП "CHARGE" на всех этапах формирования, фокусировк

клонения электронного пучка осуществляется при помощи программного дуля "DEMON".

Помимо перечисленных выше основных полевых и электронно-тических оптических характеристик, на каждом из этапов расчета ЭЛТУ желанию пользователя могут быть визуализированы промежуточные счетные данные, позволяющие детально проанализировать работу цельных алгоритмов и программ.

2.6. Результаты численных экспериментов

В данном разделе приведены результаты компьютерного моделирования 1ТУ, полученные при помощи ППП "CHARGE". Рассматриваемая 1ТУ включает в себя осесимметричную электронную пушку с эмокатодом, осесимметричную магнитную фокусирующую систему, разованную соленоидом и магнитопроводом с полюсными конечниками, а также систему магнитного отклонения тороидального па.

Сначала проанализируем результаты моделирования характеристик ;ктронного пучка на первом этапе его формирования - в электронной

шке.

Рассмотрены две различные конфигурации электронной пушки, которые тсе условно называются П1 и П2. (рис. 2.2 (а,б)). Исходные значения отности тока насыщения, диаметра рабочего поля эмиттера и <оряющего напряжения приведены в табл. 1.

Табл.1

Условное название Плотность Диаметр рабочего Ускоряющее

электронной тока насыщения поля эмиттера напряжение

пушки Л > А/см*2 D , мм е U , кВ а 7

П1 4 3 50

П2 2 1.7 50

Самосогласованная траекторно-полевая задача решалась на основе горитма выделения прнкатодной области в соответствии с теорией оского диода, и уже на первых 10-15 итерациях было получено иосогласованное решение с погрешностью, не превышающей долей эцента. На рис.2.3(а,6) показаны вольт-амперные характеристики пушек и П2.

На рис.2.4-2.6 показан общий вид траекторий электронного пу в пушках П1 и П2, а также приведены распределе] пространственного заряда для соответствующих режимов.

На рис.2.7 приведены распределения плотности тока вдоль кат в электронной пушке П2 для различных значений потенци Венельта. Из этого рисунка видно, что режим ограничения т пространственным зарядом в данной пушке возникает I отрицательных значениях потенциала электрода Венельта, абсолютной величине больших примерно 850В. Эволкн распределений плотности тока в пушках П1 и П2 в проце движения пучка от катода к аноду при различных значен: потенциала электрода Венельта показана на рис. 2.8-2.11.

Второй этап формирования электронного пучка рассматриваемой ЭЛТУ представляет собой фокусировку пу осесимметричным магнитным полем. На рис.2.12 показ; геометрия магнитной фокусирующей системы, состоящей соленоида и магнитопровода с полюсными наконечниками, а та: расчетные распределения магнитной индукции и ее пер: производной вдоль оси симметрии. На рис.2.13 можно вид фокусировку предварительно диафрагмированного электронн пучка в области полюсных наконечников магнитной фокусирую] системы.

Рис.2.14-2.19 отражают заключительный этап формирова электронного пучка в ЭЛТУ, заключающийся в отклонении пу магнитной отклоняющей системой тороидального типа. На рис. ; представлены распределения первой гармоники отклоняющ магнитного поля и ее производных вдоль главной оптической ос на рис. 2.15 показан общий вид электронного пучка в реж: отклонения. Сравнение между собой фигур рассеяния соответствующих распределений плотности тока в неотклонен; и отклоненном пучках (рис.2.16-2.19) свидетельствует о нали заметного астигматизма и небольшой комы отклонения. Общий электронного пучка в рассматриваемой ЭЛТУ показан на рис 2

а—

а) б)

Рис. 2.2. Геометрия электродов электронных пушек П1 (а) и П2 (б) (К - термокатод, В - электрод Венельта, А - анод; пунктиром показано линейное распределение потенциала).

/-

/ / г

- / /

а все —

0 0-? -

I 0 0г£ -

+ в 0:г -« в -° в -° в -* 0 015 -

с 0 01? -

А

5 ЭЭ

мв.е

»

/

/

нее. -1209. -190?. -в«».

Лог»мии>/ I

а) б)

Рис. 2.3. Вольт-амперные характеристики (а - пушка = 4 Л/см2; б - пушка П2, = 2 А / си2).

а)

б)

Рис. 2.4. Общий вид траекторий электронного пучка (а - пушка П1, иВ=-700В, иА=50кВ, = 4Л/см2; б - пушка П2, ив=0, иА=50к

а) б)

Рис. 2.5. Общий вид траекторий электронного пучка в пушке П2 (= 2 А / см2; а - иВ=-400В, иА=50кВ; б - иВ=-800В, иА=50кВ

а) б)

Рис. 2.6. Распределение плотности тока вдоль главной оптической оси (а - пушка П1, =4Л/см2, Ш=-700В, иА=50кВ,

- пушка П2, = 2 А / см2, иА=50кВ; 1 - ЦВ=0, 2 - Ш=-400В, 3 - иВ=-800В)

\ ' * I" г-• .1 •: • ■ 'X \ \ V \ \ ........^.......1.......|.......

• >.1 0.« 9.« е.»

Рис. 2.7. Распределения плотности тока вдоль катода в пушке П2 при различных значениях потенциала электрода Венельта (11А=50кВ, У, = 2 А/см2; 1 - ЦВ—800В, 2 - ЦВ—900В, 3 - ЦВ-1000В, 4 - ЦВ-1100В, 5 - ЦВ—1200В, 6 - ЦВ=-1300В, 7 - ЦВ—1400В).

Рис. 2.8. Распределения плотности тока в плоскости 2=5 мм в пушке П1 Ц =4А/см2 - иВ—700В, иА=50кВ).

Рис. 23. Распределение плотности тока в плоскости кроссовера (г=19.5мм) в пушке П1(/5 =4^/см2;Ш=-700В, иА=50кВ).

Рис.2.10.Распределения плотносгатока в различных сечениях пушки П2 при значении потенциала электрода Венельта11В=0(иА=50кВ, = 4Л/см2 1 - г=2 мм, 2-2= 12 мм, 3-2=20 мм).

а) б)

Рис. 2.11. Распределения плотности тока в различных сечениях пушки П2 (= 4 А / см2, иА=50кВ ; а - ИВ—400В, 1 - г= 10 мм, 2 - г=20 мм, 3 - 2=30 мм б - ЦВ—400В, 1 - г-5 мм, 2 -г=12 мм, 3 - г=20 мм).

-

I:::

: . »7

• • >85 •...»

Рис.2.12. Геометрия магнитной фокусирующей системы и осевые распределения магнитной индукции (1) и ее первой производной (2). Ток в соленоиде 620 ампер-витков.

Рис. 2.13. Фокусировка траекторий пучка вблизи полюсных наконечников магнитной линзы

(диаметр диафрагмы 4мм, расстояние катод-диафрагма 200мм).

Рис.2.15. Отклонение

пучка в плоскости мишени (1 - неотююненный пучок, 2 - отклоненный пучок).

Рис.2.16. Фигура рассеяния неотклоненного пучка в плоскости мишени.

Рис.2.17. Распределение плотности тока в неотклоненном пучке в плоскости мишени.

Рис.2.18. Фигура рассеяния отклоненного пучка в плоскости мишени (отклонение пучка 48.7мм).

Рис.2.19. Распределение плотности то (в отклоненном пучке) 1 - в направлении отклонения 2-в перпендикулярном направлении).

Рис.2.20. Общий вид электронного пучкавЭЛТУ(1 - электронная пушка, 2-вырезающг диафрагма, 3 -полюсные наконечники магнитной фокусирующей системы, 4 - магнитна* отклоняющая система; для наглядности масштабы по осям координат выбраныразными

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования электронных процессов в диэлектриках при обработке их поверхности электронным пучком

3.1. Физическая модель электронно-лучевой обработки диэлектриков

Прецизионная электронно-лучевая обработка твердых тел - один из гавных разделов электронно-лучевой технологии, представляющий злылой интерес для многих практических применений [5]. В главе 3 ¡учаются физические основы проблем обработки диэлектриков, >стоящих в сильном искажении картины обработки, выполненной ¡ектронным лучом. Причина таких искажений состоит в том, что гектронный луч, падающий на обрабатываемое вещество, не только >здает его сильный локальный разогрев, но и вносит в разогретую область [ектронный заряд. При обработке проводников роль этого заряда не окна, так как он очень быстро покидает проводник под действием >бственного электрического поля. В диэлектриках заряд, возникший в ¡которой точке, существует в ней очень долго. Поэтому, заряд, вносимый диэлектрик электронным лучом, накапливается в нем и создает поле, второе в дальнейшем может отклонять электронный луч от ¡программированного места падения на поверхности тела. Данная зоблема лежит на стыке электронной оптики и физики диэлектриков и шее детально не изучалась. Ниже показано, что при этом в диэлектрике эотекают специфические процессы, серьезное влияющие на процесс ¡ектронно-лучевой обработки.

В дальнейшем рассматривается гравировка поверхности твердого тела, же сама эта задача очень интересна для практики. Основные выводы, [еланные в данной главе верны и для других задач электронно-лучевой эработки дйэлектриков, а также для электронно-лучевой микроскопии. Рассмотрим, как при помощи электронно-лучевого гравирования >здается рисунок на поверхности твердого тела. Рисунок состоит из точек радиусом —100 мкм, отстоящих друг от друга на такое же расстояние, аждую точку создает короткий и мощный импульс пучка попавших в ;е электронов, ускоренных до энергии ~ 100 КэВ. Типичная длительность .шульса ~ 10 мкс, а ток в пучке ~ 1 мА. Попадание такого пучка вызывает ггрев, плавление и испарение вещества в малом объеме (с тем же фактерным размером, что и типичный размер пучка), в результате чего I поверхности тела возникает кратер, являющийся элементарной точкой юбражения. Изображения, создаваемые на металле, близки к идеальному, днако на диэлектрике (например, на стекле) они часто имеют такие :фекты. По мере создания рисунка точки теряют круглую форму (из круга

вытягивается клин, причем все клинья направлены острием в одну сторон} и, чем позже создается точка, тем больше клин), и смещаются относительн планируемых позиций (Рис. 3.1 а). Искажения другого типа состоят уменьшении глубины кратеров (Рис. 3.1 б).

Нагрев диэлектрика при его электронно-лучевой обработке обусловле тем, что энергичный электрон, попадая в него теряет свою энергию, прежд всего, на ионизацию электронно-дырочных пар. В каждом акте это электрон теряет лишь малую долю своей энергии, которая требуется дл образования одной пары. Лишь затем образовавшиеся дырка и электро отдают свою энергию кристаллической решетке, нагревая ее. Пр типичных значениях теплопроводности, теплоемкости, плотност диэлектриков и длительности импульса электронного пучка ~10"5 заметное перетекание тепла в веществе происходит на расстояние порядк 1 мкм. Поэтому можно считать, что локальный нагрев веществ определяется именно той мощностью, которая выделяется в данной точк< Таким образом, нагрев вещества происходит непосредственно под те; местом, где электронный луч падает на поверхность. Это приводит плавлению и последующему испарению вещества, сопровождаемому ег взрывоподобным выбросом в вакуум, в результате чего образуется крате с радиусом, близким к радиусу электронного луча.

Часть падающих электронов отражается атомами вещества. Они, также часть образовавшихся в узком приповерхностном ело высокоэнергичных ионизованных электронов, которая вылетает и вещества в вакуум, образуют поток отраженных и вторичных электроно1 составляющий долю <х от полного потока электронов, падающих н вещество в электронном луче. Величина а зависит от энергии падающи электронов, от угла их падения и от электрического поля, нормального поверхности в приповерхностном слое вещества [22]. В отсутствие этог поля и при энергии падающих электронов ~50 КэВ величина о исследуемых нами стеклах составляет ~30% и обусловлена, в перву] очередь, потоком отраженных электронов. Электрическое пол< вызывающее дрейф электронов из вещества в вакуум, увеличивает дол] вторичных электронов и, таким образом, величину ст.

В наших экспериментах глубина проникновения электронов в веществ 5 составляет, примерно, 20 мкм, а максимальное поглощение энерги электронного луча происходит на глубине гтах ~ 7 мкм. Именно здес раньше всего начинается плавление вещества. Из-за высокой скорост нагрева давление быстро растет и вызывает взрывообразный выбрс вещества: скопившегося пара и окружающего его расплава. Так, п общепринятым представлениям [5], образуется кратер.

Теперь рассмотрим, как на этом фоне протекают электрические юцессы. Каждый электрон, отдающий веществу свою энергию еУ0, осит в него и свой заряд е- Этот электрон, теряя свою энергию, создает юго электрон-дырочных пар, (~10 - 10 ), после чего попадает в зону сводимости, откуда, спустя короткое время, захватывается на ловушку, знцентрация ловушек в диэлектриках, как правило, высокая. Времена хвата на них свободных носителей в различных веществах лежат в лроком диапазоне (от ~ 10~3 с до ~10"п с ), в зависимости от типа и нцентрации содержащихся в веществе примесей. Наиболее же типичные ачения лежат в диапазоне: 10"7- 10"9 с. Хотя проводимость диэлектриков айне низкая, но в области падения пучка она сильно возрастает агодаря сильной генерации электронно-дырочных пар. В результате ого поле в этой области оказывается очень малым, а дополнительные ектроны, вносимые электронным лучом, за счет их взаимного талкивания, уходят на границы сильно нагретой области, радиус которой изок к характерному радиусу пучка гь. Казалось бы, эти электроны лжны накапливаться на ловушках у границ нагретой области. На самом : деле, растекание этого заряда оказывается более сильным и происходит момента образования кратера. Дело в том, что количество электронов, торые необходимо ввести в вещество для образования кратера, столь лико, что создает близ области падения пучка электрическое поле, >евосходящее поле пробоя диэлектрика. Поэтому ток здесь быстро ановится большим, и электроны, внесенные пучком, выносятся этим ком далеко за пределы нагретой области.

Покажем что пробой диэлектрика происходит задолго до образования атера [23]. Для баланса мощности, вносимой электронным лучом, можно писать:

где дг - число электронов, попавших в вещество за время г, а ДО -личество теплоты, внесенной ими в единицу объема нагретой области, есь не учтен заряд вторичных электронов, эмитируемых электриком, что не играет большой роли для последующих оценок, гектрическое поле, создаваемое этими электронами в у границы круга диуса гъ, можно оценить следующим выражением

е £ - диэлектрическая постоянная вещества. Из формул (3.1), (3.2) едует, что условием того, что электронный заряд растечется до того, к начнется плавление вещества и последующее парообразование, ужит неравенство

лг^АО = еУ0М.

(3.1)

Е^Щ.

1 + £г?

(3.2)

(3.3)

где Д<2р - теплота, которую надо подвести к единице объема вещества, я того, чтобы там произошли плавление и парообразование. Даже, если

считать, что эта теплота определяется лишь нагревом вещест] £Л2р =срАТ, и взять типичные для стекол значения: с = 1 дж/г р = 25г/ей, Д7 = Ю00мыполучим, что: Д^ «2.5 КУдж/с Тогда правая часть формулы (3.3) при ^ = 3 10~3с м> У0 = Ю5 В и £: равна, примерно, 8x107 В/см, что гораздо больше возможных значений ш пробоя в различных диэлектриках и означает, что вносимый за£ растекается на значительное расстояние еще до того, как образуег кратер.

Теперь оценим расстояние, на которое растекается заряд, вносим импульсом пучка, создающим элементарную точку изображен] Обозначим число внесенных электронов - При типичной длительное импульса - порядка 10 мке, и токе в пучке - порядка \мА, N порядка ^ электронов. Поле в веществе на расстоянии г от центра заряженн области за ее пределами в этом случае можно оценить, как

2 еН

= (3

Подставив в формулу (3.4) типичные значения: ю" электрон« е»4, легко найти, что электрическое поле при г, не слишком превышакж гь ~ 100 мкм, окажется ^ ^ В/см, что значительно превыше типичные поля пробоя диэлектриков. При полях, близких к полю про£ Е[,, проводимость диэлектрика резко растет. Этот рост проводимое может быть вызван пробоем зона-зона, либо примесным пробоем. Резк рост проводимости при полях, близких к полю пробоя, означает, что зар созданный в веществе электронным лучом, должен быстро растекаться пределах области с радиусом определяемым согласно (3.4) соотношения:

2 еЫ

Г**]1(1 + £)Еь- (3

Подставив в эту формулу значения, уже использованные п предыдущих оценках,

Еь » 10б В/см получаем отсюда 0.1см (при Еь » 104 В/см - г=1см). Т.е. еще образования кратера электронный заряд успевает растечься на расстояг порядка 0.1см или даже больше, что гораздо больше радиуса электроннс луча.

3.2. Экспериментальное оборудование

Эксперименты проводились на установке для размерной электронно-чевой обработки материалов ЭЛУРО-М с магнитной фокусировкой, с коряющим напряжением от 30 до 70 кВ, и с максимальным током пучка ОмА.

Импульсы электронов создавал электростатический модулятор, нованный наизменении напряжения науправляющем электроде и дающий гаульсы от 8 мкс с характерной формой, показанной на Рис. 3.3. инимальное время между двумя импульсами - ~250 мкс, инерционность >дулятора ~5 мкс. Амплитуда тока пучка измерялась при помощи линдра Фарадея, электрический сигнал с которого подавался на вход циллографа с нагрузочным сопротивлением 1 кОм. Так же нтролировалась стабильность тока в пучке. Установка имеет ординатный стол, перемещающийся в двух горизонтальных правлениях и магнитную отклоняющую систему. В систему откачки входят механический форвакуумный насос, и два юляных диффузионных насоса Н5С N1. Максимально достижимый овень вакуума в электронно-лучевой пушке -10"5 торр, а в рабочей мере - 104 торр.

Накопленный заряд измерялся аналого-цифровым преобразователем ЦП) с такими характеристиками: диапазон напряжений - от -5В до +5В, ительность отсчета - 65 не, максимальная частота преобразования - 10 Гц, входная емкость - 30 нФ, входное сопротивление - 100 кОм, зрядность двоичного кода - 8 бит, нелинейность - менее 1%. После манды с ЭВМ АЦП работает в автономном режиме, запоминая данные Зуфере размером 32 кбайта, что позволяет проводить измерения на стоте 10 МГц в течении 3200 микросекунд. После измерения содержимое фера считывается в память ЭВМ. Для управления модулятором, ординатным столом и АЦП применялась ЭВМ типа 1ВМ АТ (386, 40 Гц).

3.3. Экспериментальные исследования явлений, возникающих

при электронно-лучевой обработке поверхностей диэлектриков

Для измерения заряда (2, внесенного в диэлектрик, использовалась едующая методика. Изучаемый образец - стеклянная пластина толщиной 3 до 6 аш - помещался на металлический стол, заземленный через грузочное сопротивление 1 кОм (см. Рис. 3.2). При воздействии на разец импульса электронов через это сопротивление протекает ток. ^скольку сопротивление образца высокое, электронный ток через него ень мал, и измеряемый ток есть производная по времени от заряда,

накапливаемого в образце, т.к. расстояния от образца до друг проводящих элементов конструкции установки значительно превыша: толщину стекла, которая служит максимальным расстоянием накапливаемого заряда до металлического стола. Поэтому напряжен на нагрузке связано с изменением накапливаемого заряда формул V = Я.1 с!(21<11. Это напряжение измерялось с помощью АЦП и вводилос память компьютера, что позволило проводить прямые измерения изменен заряда, накапливаемого в образце.

Проводились серии экспериментов при различных длительност импульсов и токах электронного луча. Для контроля кроме стеклянн пластин использовались также металлические образцы и пласти] полупроводников с хорошо известными параметрами: кремния и фосфи галлия(см. [23,24]). Зависимость тока от времени в случае заземленн металлических образцов полностью повторяет поведение то электронного луча (см. Рис. 3.3). В стеклянных пластинах поведение тс совсем иное (см. Рис. 3.4). Удельное сопротивление изучаемых стекол п температурах, близких к комнатной, - ~10иё1012 Ом см (типичн температурные зависимости даны на Рис. 3.5). Эти зависимости указывав что проводимость данных стекол - зонная, с подвижностью свободн носителей ~100 см2/В с, а концентрацию свободных носителей определ5 их термическая генерация с глубоких ловушек, отстоящих на 0.8 эВ края ближней разрешенной зоны. Время диэлектрической релаксации п удельном сопротивлении 10'2 Ом см, составляет ~1 с, что намно превышает характерные времена наблюдаемых в стеклах изменен заряда.

Зависимости на Рис. 3.4 показывают, что изменение заряда в проце( зарядки стекол можно разделить на несколько существенно различи стадий. От начала импульса до времени тх происходит постепенн накопление заряда в диэлектрике. Производная сК^/Ж на этой стад пропорциональна току луча. После момента т^ ток резко меняет зна! затем осциллирует, как и заряд, накопленный в стекле. Частота эт осцилляций пропорциональна току электронного луча (см. Рис. 3.4, 3. Амплитуда осцилляций от тока не зависит. Это иллюстрирует вставка Рис. 3.4. В момент т2, который также обратно пропорционален плотное тока луча, осцилляции прекращаются. Здесь идет плавление и испареь стекла. Характерное время т3 близко к моменту образования крате] При / > т3 в стекле медленно копится отрицательный заряд (см. Рис. 3.6 На Рис. З.ба этот процесс не виден, т.к. здесь время т3 близко к моме£ окончания импульса электронного луча.

Совсем иное поведение тока наблюдается при облучении тех же геклянных пластин расфокусированным электронным лучом (см. Рис. 3.7).

этом случае, радиус облучаемой поверхности был выбран ~1 см, заметно ольшим толщины исследованной пластины (Ь=3мм.). Форма кривой тока а Рис.3.7 та же, что и форма таких же кривых, полученных при облучении иэлектриков в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) [25]. »тличают эти результаты два момента. Во-первых, типичные значения ока и времена его релаксации. В наших экспериментах ток ~10~3 А, а в ЭМ -10" А (т.е. отличие в 108 раз). Времена релаксации тока у нас ~10" с, а в СЭМ ~Ю0 с (т.е. отличие в 107 раз).). Во-вторых, на Рис. 3.7 ток в онце релаксации пренебрежимо мал, а в экспериментах с СЭМ из работы >5] ток в конце релаксации исчезает не полностью. В этой работе елаксация тока объясняли зарядкой диэлектрика, ведущей к росту отенциала его поверхности, в результате чего энергия падающих на нее пектронов уменьшается. Т.к. коэффициент отраженных и вторичных пектронов а зависит от энергии падающих электронов, как показано на йс. 3.8, а энергия падающих электронов Ег, при которой их поток равен отоку отраженных и вторичных электронов, относительно невелика по равнению с исходной энергией ускоренных электронов (как правило, нергия Е2 лежит в диапазоне от 1 до 2 КэВ), эта зарядка образца приводит возрастанию <у, и, следовательно к уменьшению тока зарядки образца. Интересные данные получены, когда на облучаемую поверхность теклянной пластины помещался незаземленный проводящий образец шастина металла или низкоомных кремния или фосфида галлия). Тогда, езависимо от того облучался ли этот образец сфокусированным или асфокусированным электронным пучком, наблюдалась релаксация тока, есьма похожая на ту, что имела место при облучении самой стеклянной ластины сфокусированным пучком (см. Рис. 3.9).

3.4. Анализ экспериментальных результатов Рассмотрим релаксацию тока при расфокусированном электронном учке (см. Рис. 3.7). Как уже отмечалось, похожие кривые, наблюдавшиеся СЭМ, объясняли зарядкой диэлектрика и зависимостью а от энергии, ^ля такого же объяснения наших кривых, следует предположить, что после О мкс облучения потенциал нашего образца оказывается близким к еличине У0-Е2/е, т.е. составляет, примерно, 48-49 КэВ. [ижеприведенный анализ показывает, что это невозможно,.

Оценим величину и поверхностную плотность электронного заряда, несенного в образец. Оценка этого заряда из Рис. 3.7 дает Ю"8-^

то составляет ^до11 электронов, и при радиусе пучка гь = 1 дает

поверхностную плотность 2 ~ 3 Ю10 электрон/см2. Эти электро* индуцируют заряды изображения, в основном, на металлическом сто; т.к. расстояние до него значительно меньше расстояний до друг: проводящих элементов установки. Т. к. толщина стеклянной пластины существенно меньше, чем т^ , поле, создаваемое в вакууме над стеюк внесенными в него электронами и их изображениями на поверхности сто1 равно в первом приближении нулю; внутри же стекла поле равно

,, 4яё1

Е =--(3.

е

и направлено так, что электроны дрейфуют внутрь стекла. Подстав величину X . указанную выше, поле в стекле можно оценить, к: — 15 104 В/см, а, падение напряжения на стекле толщиной 3 мм, к ~ 5 103 Это напряжение намного меньше, чем ускоряющее напряжен У0, и поэтому не может заметно увеличить долю вторичных электроне К этому не может привести и поле в стекле, которое направлено так, ч тянет электроны внутрь стекла, а не из него. Впрочем, это поле слииш мало, для того чтобы вообще заметно влиять на поток вторичш электронов. Оно также мало и для пробоя стекла и при удельш сопротивлении ~к)ПОмЧсм создает ток с плотность 10"6- 10"7 А/см2 пренебрежимо малой по сравнению с током электронно пучка. Это подтверждает нулевой конечный ток на Рис. 3.7. Для анали других возможных причин наблюдаемого поведения тока рассмотрим бол детально структуру поля близ поверхности.

Покажем, что проводимость области, в которой высокоэнергичш электроны теряют свою энергию, высокая. При плотности их тока у0 э электроны, каждый из которых создает м» 1 электр он-дыр очных пе генерируют в пределах их длины проникновения 5 концентрат электронов и дырок п и р, оцениваемые как:

Щр _ Р _ п

хр т„ > (3

где тр и тп - времена захвата дырок и электронов. Даже при мал! временах ~ Ю-'с и плотности тока у » 10-3 А/ см1, и п]

2Омкм и М«104, концентрации носителей, получаемые из (3." весьма велики - р ~ п « 1014слГ3. Поэтому время диэлектрическ« релаксации очень мало, хл « 2 1(Г|0с, даже при малой подвижност р « 100см2 /В с■ Оно гораздо короче других характерных времен, ч позволяет рассматривать приповерхностный слой стекла толщиной 20 м как идеальный проводник с равным нулю электрическим поле

збыточные электроны, вносимые в стекло электронным лучом, вставляют лишь малую долю, ~ 1¡М , от полного числа электронов и >1рок в этом слое и выносятся на его поверхности. При сфокусированном электронном луча они идут, в основном, на )верхность, обращенную к металлическому столу, где захватываются I ловушки и создают в стекле уже упомянутое однородное поле 1.5 В/см, движущее электроны к столу. Вблизи боковых краев юводящего слоя картина поля иная. Решение задачи о поле заряженного доводящего круглого диска показывает, что по мере приближения к его >аю поле у его поверхности растет обратно пропорционально корню из 1ССтояния до этого края (см. [26]). Отсюда следует, что поверхностное ше в центре проводящего диска малой толщины Б, Е0, относится к полю шизи края диска, Яр как . В нашей задаче поле заряженного

юводящего слоя экранируется металлическим столом, удаленным от слоя I расстояние к«гь. Поэтому в данном случае поле близ края проводящего :оя следует оценить, как

где Т] - коэффициент порядка 1. Подставляя в (3.8): 77 = 1, '0 = 1.5 Ю4 В /см, к = 03см, 3=20мкм, краевое поле Ех можно

хенить, как ~2 10^ В! см, что близко к значениям пробойных полей в ■еклах. Поле вблизи краев проводящего слоя имеет всевозможные травления. В частности, краевое поле на поверхности стекла направлено 1К, что тянет электроны в вакуум. В стекле это поле в е раз меньше, чем !, т.е. ~4 Ю* В/см, а в вакууме становится равным Ех. Ниже для зъяснения наших данных мы рассмотрим эффекты краевых полей. Мы должны объяснить, почему заряд в стекле в конце релаксации ;рестает меняться, хотя электронный луч продолжает вносить новые [ектроны в стекло, и они не покидают пластину через электрическую ;пь. Возможны два объяснения этого: либо возникает поток электронов, штируемых из стекла в вакуум, равный потоку электронов, вносимых стекло электронным лучом, либо появляется такой же поток шожительных ионов из вакуума в стекло. И возможны эти процессы лишь Злнзи краев облучаемой области, где поле относительно велико. Два известных явления, которые могут вызывать большой электронный зток из стекла в вакуум: это - туннельная электронная эмиссия и ¡пленная полем эмиссия вторичных электронов. Туннельная эмиссия зебует слишком больших полей, превышающих )7 В/см. Поэтому ниже обсуждается лишь усиленная полем вторичная [ектронная эмиссия. Как уже отмечалось, без поля отношение потока горичных электронов к первичному потоку гораздо меньше 30%. Это

(3.8)

означает, что в исследуемых стеклах эффективная глубина выл« вторичных электронов очень мала: Л 0 нм (см. [27]). На столь малой дл! электрон, дрейфуя из стекла в вакуум даже в максимальном краевом по меньшем 105 В/см, получает энергию менее 0.1 эВ, что не может замет усилить эмиссию вторичных электронов. А в наших экспериментах д того, чтобы вторичный поток был равен первичному, коэффициент усиленный полем в области максимальных краевых полей, дол» достигать величины порядка гь/Я, т. е. примерно —500. что невозмож: Невозможно и появление заметного компенсирующего поте положительных ионов. Энергия ионизации молекул 02, Ы2, превышает эВ, дипольная длина этих молекул - меньше 1 им. Следовательно, да максимальное поле в вакууме, которое близ краев проводящего ы составляет ~10б В/см, понижает энергию ионизации этих молекул мен чем на 0.1 эВ, что явно мало для заметного роста ионизации этих молек Ионизация же этих молекул высокоэнергичными электронами также может создать заметного количества положительных ионов. Ее сече! имеет порог при энергии, превышающей 10 эВ, максимум при энерг: превышающей 100 эВ, и при больших энергия это сечение ионизаг описывают выражения <УЫг~2П 10-1<(100/Я)ам2

сг0 «5.4 1(Г'6(100/Е)слг2 для молекул Ы2 и 02, соответственно, (| [27]), где Е - энергия налетающего электрона, измеренная в электр< вольтах. Поэтому даже при относительно высоком остаточном давле! в установке,( ~ Ю-4 мм. рт. ст.), количество ионизованных положительн ионов не превышает Ю-3 от количества электронов, внесенных в ста лучом, что делает невозможным такое объяснение нац экспериментальных результатов.

Изучим приповерхностное распределение поля при сфокусирована луче. В этих экспериментах характерные длины удовлетворя следующим неравенствам: к»гь»3. Первое из них позволяет не учитыв: поле зарядов, индуцированных на металлическом столе, а второе - счит; поле у поверхности одномерным в первом приближении. Проводимо низкоомного слоя здесь на несколько порядков превышает значен характерные для расфокусированного луча. Это, тем более, позвол полагать этот слой идеальным проводником с полем, равным ну) Избыточные электроны, вносимые в этот слой электронным луч« немедленно уходят на его поверхности. Однако теперь эти заря располагаются не только на внутренней поверхности этого сл обращенной к металлическому столу, но и на его внешней поверхнос совпадающей с поверхностью стеклянной пластины. В одномерн

иближении внутреннюю и внешнюю поверхностные плотности, и связывает соотношение: ~Lin = 'Lext/£, которое следует из

ебования, чтобы поле внутри слоя равнялось нулю. Выражая поле через лную поверхностную плотность внесенного заряда, Ъ = + Ъех1, трудно получить, что

АкеЪ г, _ 4яе2)

(а) = (b) (3-9)

где Ein - поле на внутренней поверхности, а Eext - противоположно правленное поле на внешней поверхности проводящего слоя, т. е. талкивающее электроны от поверхности стекла. Внутри стекла это поле е раз меньше, чем Ein. Оценим эти поля на первой стадии релаксации ка, т. е. при 0 < t < т1( в предположении, что площадь проводящего слоя вна сечению электронного пучка. Тогда для поля Ein верна оценка: п = 4J0i/(f + \)rl. При гь - 50мкм, £ - 4, и значениях, взятых из Рис. t, J0 = 0.7мА, t = т, = 2мкс, получаем: ДДт,) = 5 Ю7 В!см - У краев оводящего слоя поле еще больше. Эти значения намного превышают обойные поля в стеклах, Это означает, что заряженный слой, разующийся на поверхности проводящего слоя, начинает расширяться долго до момента хх. Проводящий же слой при этом своих размеров актически не меняет.

Обсудим движение заряда в стекле. Избыточные электроны на верхности проводящего слоя захватываются на ловушки и становятся подвижными. Этот захваченный заряд движется благодаря генерации сителей ловушками и их последующему дрейфу в электрическом поле момента следующего захвата другими ловушками. Темп генерации сителей с ловушек в материалах с низкой концентрацией свободных сителей очень мал. Этот процесс и является тем узким местом, которое пает движение захваченного заряда очень медленным. Однако, при полях, изких к полю пробоя темп генерации носителей резко возрастает даже и очень малом росте электрического поля. Это резко увеличивает орость движения захваченного заряда. Поэтому можно считать, что хваченный заряд способен двигаться с любой требуемой скоростью, гда поле возрастает до поля пробоя Еь . Для оценки характерной длины сширения заряда мы воспользуемся выражением (3.5), из которого при х же значениях /0 = 0.7мА, t - г, = 2мкс и при Еь = 5 Ю3 В/см , едует, что за время первой стадии релаксации тока заряд в стекле стекается на 300 мкм, потенциал поверхности стекла достигает _ в. ■от потенциал заметно меньше ускоряющего напряжения. Поэтому

релаксацию тока, показанную на Рис. 3.4, также как и 1 расфокусированном электронном луче, нельзя объяснить с помои энергетической зависимости коэффициента а в условиях близо поверхностного потенциала к ускоряющему напряжению.

При сфокусированном электронном пучке времена т^ т2 , т3, а та: период токовых осцилляций обратно пропорциональны току пучка. I изменения тока обусловлены накоплением заряда. Ступеньки тока в мом времени т1 и во время осцилляций, отвечающие уменьшению накопленн заряда, имеют длительность меньшую, чем 2 Понятно, что

очень быстрые процессы не связаны с накоплением заряда и потом) могут быть объяснены на основе туннельной электронной эмиссии усиленной полем вторичной электронной эмиссии. Для объяснения э ступенек нужно найти быстрый процесс, инициируемый сильным по; но после этого оказывающийся возможным и при слабом поле. Только та процесс может объяснить релаксацию тока, показанную на Рис. 3.4.

В качестве возможной причины наблюдаемых явлений рассмот] "убегание" электронов в стеклах при сильных полях (см. [28], [29]). Э термин означает неограниченное возрастание энергии высокоэнергич] электронов под действием поля. Это явление имеет место в случае, кс электрон получает от поля энергию быстрее, чем теряет ее. Такая ситуа имеет место в твердых телах, в которых рассеяние свободных носите обусловлено полярными оптическими фононами (см. [28], [29]). Благол этому электроны "убегают" в область высоких энергий и могу принципе, достичь энергетического уровня вакуума и уйти из тверл тела. За счет этого эффекта вольт-амперная характеристика образца ш ^-образную форму (см. [29]). Если к образцу подключено ма последовательное сопротивление, то в нем возникает неустойчиво вызывающая быстрое переключение тока от его низкого значена высокому. Если же последовательное сопротивление велико, то та переключение тока невозможно.

Оба эти случая видны при действии сфокусированные расфокусированным электронными пучками на стекла, в кото] существенно полярное оптическое рассеяние. Убегание электронов \ последующая эмиссия в вакуум возможны лишь в области образ! боковых краев проводящего слоя, где поле максимально. Эта облг будет, как бы, образцом с ¿'-образной вольт-амперной характеристш тогда как проводящий слой играет роль последовательного сопротивле] В случае расфокусированного пучка сопротивление проводящего с велико из-за относительно низкой концентрации свободных носител<

:ое и его большой длины. В этом случае имеет место постепенное скопление заряда в стеклянной пластине и такой же рост поля, что ведет постепенному возрастанию эффекта убегания электронов и их эмиссии, случае сфокусированнго луча концентрации электронов и дырок в зоводящем слое оказываются на 4 порядка выше, чем в предыдущем учае, а длина слоя на 2 порядка меньше. В этом случае сопротивление юводящего слоя гораздо меньше сопротивления краевой области сильного зля, и переключение этой области в низкоомное состояние, а тока - на :рхний уровень ¿"-образной вольт-амперной характеристики, возможно, го означает, что электроны в области повышенного поля становятся •рячими, и тогда даже относительно небольшая их поверхностная ютность обеспечивает требуемый эмиссионный ток. Уменьшение жерхностной плотности электронов в области, где происходит их эмиссия вакуум, приводит к уменьшению поля в этой области, а, значит, и шряжения на ней. Тогда остаток напряжение переходит на длину вводящего слоя, обеспечивая тем самым увеличение электронного >тока, текущего со всего слоя к краевой области повышенного поля. Другим возможным объяснением является пробой остаточной газовой газмы в камере установки. Такой пробой также мог бы приводить к зразной вольт-амперной характеристике, вызывающей переключения >ка. Хотя наши первые оценки указывают на то, что остаточная шцентрация газа в камере слишком мала для того, чтобы вызвать ¡ектронный эмиссионный ток из стекла в вакуум порядка 1 мА, отбросить •азу эту возможность нельзя. Для окончательного выбора между двумя ■ими объяснениями мы провели дополнительные эксперименты. В этой серии экспериментов мы помещали на поверхность той же самой 'еклянной пластины проводящих материалов: металла или низкоомных >емния или фосфида галлия, т.е. в данном случае проводящий материал ;имел электрического контакта со считывающей цепью. Измерения тока, [итываемого по прежней схеме показали, что в данном случае релаксация жа весьма напоминает ту, которая наблюдается в случае облучения •еклянной пластины сфокусированным электронным лучом. Пример [кой релаксации тока показан на Рис. ЗЛО. Казалось бы, эти результаты >ворят о стекании тока из металла в вакуум и, поскольку убегание ¡ектронов в металле невозможно, свидетельствуют в пользу гипотезы зобоя остаточной газовой плазмы в камере установки. Однако, введенные эксперименты при изменении на порядок давления остаточного за, показали, что параметры колебаний тока совершенно не зависят от ого давления, что противоречит газовой гипотезе, поскольку параметры

пробоя в газовой плазме должны зависеть от давления. И, након< эксперименты, аналогичные тем, результаты которых приведены на Р 3.10, и отличающиеся лишь тем, что в этом случае радиус металлическ пластины значительно превышал радиус стеклянной пластины, показа! что в этом случае колебания тока отсутствуют, что как разельствует том, что и стекание тока в вакуум во всех случаях происходит только стекла под влиянием сильных краевых полей. Данный вывод служит е одним подтверждением гипотезы убегания электронов.

Рис. 3.1. Виды наблюдаемых искажений рисунков, создаваемых электронным лучом на поверхности диэлектриков.

□

5Е:

Э/еетронньй пучок

Образец

/

V

Нагрузочное софотивленне

ЧМеталличесФЙ стол

Т

10 20 30 Время, мкс

Рис 3.2 . Схема измерения изменения внесенного в образец заряда при обработке электронным пучком

Рис 3.3 Временная зависимое тока для металлического образца.

1тЛ

60 мк

60 70

Время, мкс

Рис 3.4а Временная зависимость скорости накопления заряда в стеклянном образце. Параметры электронного пучка : энергия 50 кэВ, амплитуда тока -2 мА, длительность импульса - 85 мкс. Радиус пучка - 55 мкм. На вставке показаны осцилляции при меньшей величине тока пучка - 0.3 мА

Г^А л- и к а. (V.. л ......

Рис 3.46.

Время, мкс

15 20 25 30 35 Обратная температура, 1/1000 К

г

1 2

Ток пучка, мА

Рис. 3.5. Температурная зависимость Рис. 3.6. Зависимость частоты удельной проводимости стекла для двух осцилляций тока зарядки образцов. стеклянной пластины от величины

тока электронного луча

20

Время, мкс

Рис. 3.7. Ток зарядки стеклянной пластины, облучаемой расфокусированным электронным лучом (2.5мА, 50 КэВ).

А

Б

Рис.3.8. Типичная зависимость коэффициента отраженных и вторичных электронов а от энергии падающих электроноБ

±Ш

ттттг.

Ж

тМгтЬ

Рис 3.9. Распределение поля внесенного заряда. А - в случае сфокус рованного пучка, Б - не сфокусированного, В - распределение поля заряженного проводящего диска, расположенного на стеклянном изоляторе.

Рис 3.10. Временная зависимость тока зарядки незаземленного металлического диска диаметра 13.5 мм, лежащего на стеклянной пластине при величине тока электронного пучка 2.5 мА (А) и 3.75 мА (Б).

Глава 4. Новые принципы и устройства для компьютерного управления технологическими процессами в ЭЛУ, обеспечивающие перемещение электронного луча по заданным сложным контурам

Данная глава посвящена проблемам автоматического управления гктронно-лучевого оборудования на базе современных компьютерных ¡снологий.

Для проведения технологических процессов с помощью электронно-чевой установки требуется обеспечить прецизионное относительное ремещение электронного луча и обрабатываемого изделия, а также нхронное управление интенсивностью электронного луча. В случае, если о относительное перемещение осуществляется путем отклонения ектронного луча, необходимо также дополнительно синхронное менение фокусировки электронного луча, что требует создания сложных Юрогостоящих быстродействующих схем управления высоковольтными пряжениями. Поэтому в рамках настоящей работы разработана система мпьютерного управления, в которой относительное перемещение ектронного луча и обрабатываемого изделия достигается за счет ремещения обрабатываемого изделия при неизменном положении в остранстве точки фокусировки электронного луча. Перемещение детали уществляется с использованием шаговых двигателей, при этом обходимая точность перемещения достигается за счет компьютерного равления формой токов, протекающих по обмоткам шаговых игателей. Связь компьютера с шаговыми двигателями и модулятором ектронного луча осуществляется с использованием специализиро-нного контроллера и программного обеспечения, разработанных, готовленных и испытанных в рамках настоящей работы. Специализированный контроллер предназначен для управления гктронно-лучевой установкой в процессе обработки изделий по сложным нтурам. Он обеспечивает связь управляющей ПЭВМ с исполнительными ганами ЭЛУ, и тем самым, гибкое управление технологическим оцессом. Изменение параметров процесса может быть оперативно оведено путем изменения параметров управляющей программы, греналадка технологической установки не требует изготовления полнительных механических узлов.

Разработка контроллера была ориентирована на достижение :ксимальной производительности при использовании стандартных полнительных механизмов и привязана к техническим характеристикам нкретной ЭЛУ. Возможности контроллера допускают также льнейшую модификацию ЭЛУ без существенной переработки нструкции и программного обеспечения.

Для управления установкой электронного гравирования разработг и отлажена программа ЕЬОКАУ1. Программа предусматривг возможность работы в диалоговом режиме и обеспечивает вывод на эк^ дисплея всех необходимых для оператора инструкций.

Алгоритм работы программы заключается в следующем:

файл изображения, имя которого задается оператором, загружае' в оперативную память компьютера. Имеется возможность воспроизве< изображение на экране монитора ПЭВМ или распечатать на принтере, определяется и при необходимости корректируется требуемый раз& изображения на реальном объекте,

определяются и, при необходимости, корректируются парамет технологического процесса (скорость перемещения детали, чаете импульсов ЭЛУ и др.).

по команде с пульта ручного управления подаются управляюп напряжения на шаговые двигатели и модулятор ЭЛУ и тем сам] осуществляется процесс обработки детали (электрогравировки).

после окончания процесса происходит возврат детали в исход! положение.

Программа ЕГХ}РА\П ориентирована на 1ВМ-совместимую ПЭВ

Глава 5. Новое поколение электронно-лучевого технологического оборудован!!

5.1 Электронно-лучевая установка для прецизионной обработки по сложным контурам

В данной главе представлено электронно-лучевое технологичес! оборудование, разработанное на базе проведенных исследований.

Среди новейших разработок технологического электронно-лучевс оборудования нового поколения особое место занимг автоматизированный компьютерно-графический компле предназначенный для прецизионной обработки изделий из металло] диэлектриков плоской н цилиндрической формы по сложным контурам также для плоского и рельефного гравирования в режиме растров обработки с возможностью получения и полутоновых изображений.

Технические характеристики установки:

Ускоряющее напряжение, кВ..................................50;

Минимальный диаметр электронного пучка, мкм..........30;

Максимальный ток электронного пучка, мА.................10;

Материал обрабатываемых изделий............ металл, стекло,

природный и искуственный камень, керамика.

Электронно-оптическая система установки оптимизирована в гошении распределения плотности тока в плоскости обработки.

Отличительной особенностью устройства электронно-лучевого 1вирования с компьютерным управлением является возможность хесения графических образов высокой сложности на поверхность ,елий плоской или цилиндрической формы .

Ввод исходного изображения в память компьютера с печатного 1гинала осуществляется с помощью сканера, ввод сюжетов реальной зни - через плату видеоввода с телевизионной камеры или [еомагнитофона, возможен синтез изображения на экране компьютера омощью соответствующих компьютерных программ. Специальное эграммное обеспечение позволяет убрать дефекты изображения, целить и обработать отдельные фрагменты изображения , ввести >бходимые текстовые сообщения. Рабочий вариант полутонового >бражения программными средствами преобразуется в зтветствующую бинарную матрицу , которая является кодовой шицей для переноса изображения на поверхность обрабатываемого ¡елия. Разработанная система управления и ее программное обеспечение ¡воляют осуществлять управление установкой в процессе обработки в шоговом режиме.

Технологические возможности разработанной установки позволяют лать широкий круг производственных проблем. Она может найти ;тойное место при изготовлении прецизионных масок для нанесения ¡циальных оптических покрытий, при создании фазовых оптических >уктур, при изготовлении микрохирургического инструмента и т.п.

Установка защищена авторским свидетельством и отмечена ютой медалью на выставке инноваций "Эврика-95" в Брюсселе, а также 25-м международном салоне изобретений в Женеве в 1997-м году.

5.2 Мобильный радиационно-технологический комплекс

Для решения ряда экологических задач таких, например, как очистка >чных вод и грунта в чрезвычайных аварийных ситуациях, щологическая обработка отходов в больницах и аэропортах и т.п. в бледнее время успешно используются стационарные электронные сорители. Однако доставка обрабатываемого материала к месту гановки стационарного оборудования сама по себе является алогической проблемой. Для решения этой проблемы в рамках ¡сертационной работы предложен и разработан мобильный электронно-аиационный комплекс (МЭРК), защищенный авторскими

свидетельствами. По сравнению со стационарными установка радиационной обработки , МЭРК имеет ряд неоспоримых преимущес Он сокращает расходы на транспортировку обрабатываемых матер и ш к месту их обработки, позволяет производить обработку материало транспортировка которых небезопасна или затруднена, обеспечив; оперативную доставку радиологического оборудования к мест технических или экологических катастроф.

В состав комплекса МЭРК входят следующие рабочие модули: •модуль источника и ускорителя электронов, •модуль высоковольтного источника питания ускорителя, •модуль транспортировки обрабатываемого материала, •модуль вспомогательного оборудования , • модуль специальных средст транспортировки МЭРК. Технические характеристики МЭРК:

Выходная мощность ,кВт............................. 20,

Энергия ионизующего излучения, МэВ........... до 2,

Количество транспортных средств................. не менее 3.

МЭРК оснащен системой радиационного контроля, систем радиационно-биологической защиты, а также системой перемеще! обрабатываемого продукта через зону облучения.

Предложенная электронно-лучевая технология и Мобильн радиационно-технологический комплекс были представлены на 4' международном форуме инноваций в Брюсселе, где были удостое Большой золотой медали.

5.3 Электронно-лучевая установка для отжига полупроводниковых материалов

В рамках диссертационной работы разработана специализирован] электронно-лучевая технологическая установка для зони рекристаллизации кремниевых пластин, что весьма актуально ; разработчиков изделий микроэлектроники.

Для решения этой достаточно тонкой технологической задачи бь разработана установка , включающая в себя две электронно-оптичео системы. Первая из них предназначается для равномерного нагр< кремниевой пластины до заданной температуры, вторая - ; поверхностного переплава. Эти системы существенно отличаются д] от друга по параметрам электронного пучка. Система переплг осуществляет зонную рекристаллизацию поверхности пластин диаметр 100 мм перемещающимся сфокусированным электронным пучк<

коряющее напряжение электронно-оптической системы переплава гсжно быть достаточно низким для того, чтобы глубина проникновения жтронов не превышала 1 мкм; с другой стороны необходимо обеспечить статочную для проплавления плотность энергии. Исходя из этих ебований была разработана специальная электронная пушка, рмирующая пучок диаметром 0,2 мм, при ускоряющем напряжении 10 кВ.

Электронно-оптическая система подогрева менее критична носительно электронно-оптических характеристик и является статочно типичной для ЭЛТУ. Основная проблема здесь состояла в равлешга сканированием электронного пучка таким образом, чтобы по ;й площади кремниевой пластины осуществлялся равномерный нагрев температуры 1200 С" . Для решения этой проблемы реализована гоматическая спиральная развертка с уменьшением шага спирали по ре удаления от центра. Ускоряющее напряжение системы нагрева 12 , обеспечивает достаточную плотность мощности электронного пучка. )и этом не предъявляется дополнительных требований к системе ологической защиты от рентгеновского излучения. Установка готовлена и успешно испытана в процессе опытной эксплуатации.

Заключение Основные результаты работы

1 .Разработаны физико-математические модели, достоверно исывающие процессы формирования и транспортировки электронного чка в ЭЛТУ с учетом наиболее существенных физических факторов: зброса термоэлектронов по скоростям, температуры термокатода, раничения тока пространственным зарядом, различных аберрационных фектов, связанных с прохождением электронного пучка через систему гктростатической или магнитной фокусировки и систему магнитного клонения. На основе разработанных моделей разработано программное еспечение, предназначенное для компьютерного моделирования и тимизации электронно-оптических характеристик ЭЛТУ.. Проведены сленные эксперименты по расчету распределений плотности тока гктронного пучка прецизионной ЭЛТУ, показавшие высокую степень ответствия расчетных и экспериментальных характеристик. 2.Показано, что накопление заряда является основной причиной кажений, изображений создаваемых на поверхности диэлектриков при ектронно-лучевой гравировке. Накопление заряда, вносимого окусированным электронным лучом, в узкий слой диэлектрика под лым элементом его поверхности приводит к нарастанию поля на

поверхности этого объема до величины поля пробоя в дизлектр^ вследствие чего внесенный заряд растекается на расстояние, значител превышающее размеры области, в которую непосредственно вноси заряд электронного луча. Большой заряд, накапливаемый в диэлектр! своим полем может сильно отклонять электронный луч от планируй точки падения на поверхность диэлектрика, приводить к искажению фор электронно-гравированных точек изображения и самих изображений.

З.Экспериментально обнаружен и изучен эффект стекания заря вносимого в твердое тело электронным лучом. Этот эффект возникав стеклах после накопления в них значительного заряда, создающего поверхности поле, превышающее некоторое критическое значение. Пс этого в процессе создания точки электронно-гравированного изображе на поверхности диэлектрика, практически мгновенно возникает стекания заряда из диэлектрика, осциллирующий во времен! превосходящий по величине ток зарядки диэлектрика электронным луч в результате чего заряд в диэлектрике практически полностью исчез существенно раньше момента образования кратера, и сама то изображения появляется неискаженной. Именно этот эффект дел возможным создание высококачественных электронно-гравироваш рисунков на поверхности диэлектриков.

4. Теоретические и экспериментальные исследования эффекта стека заряда показали, что он обусловлен "убеганием" электронов в силы краевых полях в стекле при рассеянии электронов на полярных оптичес фононах.Такого же стекания заряда из материалов, где нет рассеянш полярных оптических фононах, не происходит.

5.Разработаны новые принципы автоматического управле: электронно-лучевым оборудованием для прецизионной обработки плос и цилиндрических изделий из металлов и диэлектриков по сложк контурам.

6.Разработано аппаратное и программное обеспечение , автоматического управления компьютерно-графическим комплексом прецизионной электронно-лучевой обработки по сложным контурам.

7. Разработан ряд электронно-лучевых установок нового поколения решения производственных и экологических задач. Разработан оборудование получило высокую оценку на международных фору; инноваций в Брюсселе и Женеве в 1994-1997 г.г..

Таким образом, в результате выполненных; в диссертационной раб исследований и разработок созданы методологическая баз; эффективное программное обеспечение для разработки нового поколе

'оматизированного прецизионного электронно-лучевого технологи-кого оборудования, которое нашло применение при решении широкого »та производственных и экологических задач, а также новые :ентнозащищенныеиконкурентноспособныенамировомрынке образцы ктронно-лучевого технологического оборудования .

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1.Волчков В.И., Филачев A.M.. Шабаров В.В. Устройство для :ктронно-лучевой обработки. // Свидетельство на полезную модель 15201/20 (026921) 12.09.95.

2.Филачев A.M.. Балашов В.Н., Смирнов Ю.С., Шабаров В.В. , ?енфельд Л .Б. Радиационно-технологический комплекс // Свидетельство 5060 на полезную модель по заявке N 95117180, 16.10.1996.

3.Филачев A.M.. Балашов В.Н., Смирнов Ю.С., Шабаров В.В., зенфельд Л.Б. , Семенычев В.М. Радиационно-технологический лплекс // Свидетельство N 3059 на полезную модель по заявке N 17178, 16.10.1996.

4.Гайдукова И.С., Филачев A.M. Анализ состояния и определение »спективных направлений разработки электронно-лучевых устройств

t обработки твердотельных материалов. // Оборонный комплекс -'чно-техническому прогрессу России, 1996 , N 1 с.с.3-12.

5.M.A.Monastyrsky, V.A.Tarasov, A.M.Filachev New theoretical )roach to the self-coordinated problem in charged-particle optics // Proc. of

International Conference on charged Particle Optics (CPO -2)San Diego, 16, SPIE, volume 2858, p.p. 136-144.

6.M.A.Monastyrsky , S.A.Andreev, I.S.Gaydukova, V.A. Tarasov, vi.Filachev Modern numerical technique and software for photo/thermo-ission electron-optical devices and technological units computer-aided design" roc. of the International Conference on charged Particle Optics (CPO -3)San ;go, 1997, SPIE, volume 3155, p.p.241-247.

7.Филачев A.M.. Фукс Б.И. Проблемы электронно-лучевой обработки шектриков // Прикладная физика, 1996 , вып. 3, с.с. 39-46.

8.Гайдукова И.С. ,Филачев A.M. Компьютерное моделирование и ¡работка термоэмиссионной системы установки электронно-лучевого щирования. // Прикладная физика, 1996, вып. 3, с.с. 46-55.

9.Monastyrski, S. Andreev, I.Gaydukova, V.Tarasov, A.Filachev Modern nerical techniques and software for emission electron-optical devices and hnolodge units computer- aided design.// Fifth Iteraational Conference on ctron Beam Technologies, Varna, Bulgaria, 1997, p.42.

10.A.Filachev. I.Gaydukova, V. Shabarov Electron beam technolodgy and

equipment for planar image deposition. // Fifth International Conferencs Electron Beam Technologies, Varna, Bulgaria, 1997, p.323.

11.A.Filachev. B. Fouks, D. Greenfield. Problems of electron-b< processing of insulator // Fifth International Conference on Electron Bi Technologies. Varna, Bulgaria, 1997, p.388.

12.Клюйков А.Г., Ковалев В.Д., Сухотинский В.Ю., Филачев А. Юрьев А.А. Система управления модуляцией электронного пу электронно-лучевой установки для нанесения высокохудожествен: образов на обрабатываемые изделия.// Оборонный комплекс - нау* техническому прогрессу России, 1996,вып.З, с. 27.

13.Волчков В.И., Еремин А.П., Константинов В.В., Филачев А Применение методов электронной оптики в разработке технологичес ионно-плазменных устройств.// Оборонный комплекс - нау1; техническому прогрессу России, 1996, вып.З, с. 30.

И.Филачев А.М.. Ляликов А.В. Система автоматического управлЕ установкой электронно-лучевого гравирования // Оборонный компле научно-техническому прогрессу России, 1996, вып.З, с. 32.

15.Гайдукова И.С., Титов А.А., Филачев А.М. Критерии оптимальш систем формирования электронных пучков ЭЛУ технологическ назначения. // Оборонный комплекс - научно-техническому nporpi России, 1996, вып.З, с. 36.

16. А.М. Filachev, B.I.Fouks, D.E.Greenfield Nature of distortion of sur patern produced by precise electron beam processing of insulator. // Proceed SPIE, 1997,volume 3155.p.p. 78-88.

П.Розенфельд Л.Б., Филачев A.M. Некоторые вопросы проектировг систем модуляции пучка в технологическом электронно-луче оборудовании для размерной обработки. // Прикладная физика ,1997, вы с. 60-71.

18.Васичев Б.Н., Чернова-Столярова Е.Е., Филачев А.М. Особенш сверхзвукового движения в воде и атмосфере пучков заряженных час и твердых тел. // Прикладная физика ,1997, вып.2 ,с.32.

19.Васичев Б.Н., Балашов В.Н., Рыбаков Ю.Л., Филачев А Особенности малодозовой томографии с программируе? многоракурсным электронно-лучевым рентгеновским источника Прикладная физика , 1997, вып.2 , с. 17.

20.Барбарич И.Н., Титов А.А., Филачев A.M. Разработка числе] аналитического метода решения задачи самосогласованного noj аксиально-симметричных электронных пушках. // Радиоэлектроника, 1 № 2, с.42.

21.Барбарич И.Н., Титов А.А., Филачев A.M. Числен

(елирование процесса формирования электронного пучка в пушке для рки //Известия ГЭТУ, 1997,вып. 503, с.31.

12.Научно-технический отчет . Разработка программного обеспечения овых методов расчета полей осесимметричных линз с нелинейными актеристиками материалов и методов расчета электронно-оптических актеристик фокусирующих, отклоняющих, и эмиссионных систем для ктронного и ионного технологического оборудования. // шифр Зеспечение" N ГР У17642.1985 .

23.Научно-технический отчет. Электронно-лучевой испаритель.// N ГР '641 , 1987.

14.Научно-технический отчет. Исследование и разработка электронно-[евой установки для обработки деталей и узлов изделий срофотоэлектроники, // N ГР У49872, 1991.

15.Научно-технический отчет. Отработка и совершенствование систем •оматизированной электронно-лучевой установки для размерной )аботки с проведением поисковых работ и экспериментальных ¡работок новых технологических процессов с определением основных ов деталей обработки на ЭЛУ. //N ГР У 17634, 1987.

16.Научно-технический отчет. Исследование и разработка электронно-'ических и ионно-оптических систем для создания технологических [боров и установок. // N ГРУ17721, 1988.

Цитируемая литература

[. Bakish R. Introduction to Electron Beam Technology.- New York: 'iley &. Sons Inc., 1962.

I. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов:

эавочник / H.H. Рыкалин, A.A. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М.: шиностроение , 1985, 496 с.

^.Основы электронно-лучевой обработки материалов/ H.H. Рыкалин, 5.Зуев, А.А.Углов.- М.: Машиностроение, 1978,- 239 с. .

4.Электронно-лучевая технология в изготовлении микроэлектронных [боров .- Под ред. Дж. Р. Брюэра . - М. : Радио и связь, 1984 . - 336 с.

3. Шиллер, У. Гайзиг, Я. Панцер, Электронно-лучевая технология, ¡ергия", 1980.

S.H. J. Linn, K.Poscht. Numerische Berechnung von Elektronenkanonen. -h. Elektr. Übertragung, 1968, Bd.22, N3, s.146-149. I. П.Хокс, Э.Каспер. Основы электронной оптики (т.1,2). - М.: Мир, 1993. Ш.Добрецов, М.В.Гомоюнова. Эмиссионная электроника.

- М.: Наука, 1966.

9. Силадьи Р. Электронная оптика. - М.: Мир, 1994.

10. M.A.Monastyrsky, V.A.Tarasov, and A.M.Filachev. New theoretic approach to the self-coordinated problem in charged particle optics.//- Proc of the International Conference on Charged Particle Optics (CPO-2), San Diego, 1996, SPIE, vol. 2858, p.p. 136-146.

И. M. А. Монастырский. Метод t-вариаций и некоторые вычислительные проблемы электронной оптики динамических эмиссионных систем.// Прикладная физика, 1996, № 3, с.7-27.

12. M.A.Monastyrsky, S.VAndreev, I.S.Gaidukova, V.A.Tarasov, and A.M.Filachev. Modern numerical technique and software for photo/thermc emission electron-optical systems computer-aided design. // Proc. of the International Conference on Charged Particle Optics (CPO-3), San Diego, 1997, SPIE, vol3155, p.p.241-247.

13. V.P.Il'in, V.AKateshov, Yu.V.Kulikov, and M.A.Monastyrsky. Emission-Imaging Electron-Optical System Design.//- Advances in Electronics and Electron Physics, 1990, vol.78, p.p. 155-278.

14. М.А.Монастырский, С.В.Колесников. Общая теория пространственных и временных аберраций в катодных линзах со слаб нарушенной осевой симметрией (части 1,2).// Журнал технической физики, 1988, том 58, N1, р.р.3-19.

15. V.P.Degtyareva and M.A.Monastyrsky. Some dynamic problems in streak image tubes theory. // Nuclear Instruments&Methods in Physics Research, 1995, A363, p.p.354 - 357.

16. Е.А.Рапоцевич, С.С.Родионов, И.В.Цимбалист. Моделирование двумерных магнитостатических полей на IBM PC. // В сб.: Вычислительные методы и технология решения задач математической физики, Новосибирск, 1992.

17. Е.А.Рапоцевич, С.С.Родионов. Численный расчет электромагнитных сил.// В сб.: Вычислительные методы и технология решения задач математической физики, Новосибирск, 1992.

18. W.Schwertfeger, E.Kasper. - Optik, 41, 1974.

19. М.А.Монастырский, С.В.Колесников. Новый метод расчета возмущений потенциала в задачах со слабо нарушенной осевой симметрией.// Журнал технической физики, 1983, 53, N9, с. 1668-1677.

20. Дж. Форсайт, М.Моулер. Машинные методы математических вычислений. - М.: Мир, 1982.

21.И.Ш.Белуга, И.М.Соколова. - Прикладная физика, 1997, № 2, с. 71-76.

22. L.Reimer, U.Golla, R.Bongeler, M.Kassens, B.Schindler, and

R.Senkel, . Charging of bulk specimens, insulating layers and free-jpporting films in scanning electron microscopy.// Optik, 1992, 14-22 .

23. А.М.Филачев, Б.IT.Фукс, Проблемы электронно-лучевой бработки диэлектриков.//Прикладная физика, 1996, № 3 , с.39-45.

24. С. Зн, Физика полупроводниковых приборов, "Мир", Москва, 984.

25. Z.G.Song, C.K.Ong, and H.Gong. A time-resolved current method зг the nvestigation of charging ability of insulators under electron beam ■radiation.//J. Appl. Phys., 1996, 79, 7123-7128.

26. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшип. Электродинамика сплошных сред, л. 1, "Наука", Москва, 1992.

27. Физические величины. Справочник (под ред. И.С.Григорьева, ..З.Мейлихова), Гл. 22, 23, 25, Энергоатомиздат, Москва, 1991.

28. Э. Конуэлл, Кинетические свойства полупроводников в ильных электрических полях, Гл. 2, 3, "Мир", Москва, 1967.

29. Ю.К. Пожела, Плазма и токовые неустойчивости в олупроводниках, Гл.5, "Наука", Москва, 1977.

Подписано к печати 02.04. 1997. Заказ 264 Объем 2,5 п.л. Тираж 80

111123 Москва, ул.Плеханова 2/46, НПО "Орион"

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ И ИОННОЙ ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 537.533.3

ФИЛАЧЕВ АНАТОЛИИ МИХАИЛОВИЧ

Исследование и моделирование процессов формирования электронных: пучков и их взаимодействия с поверхностью твердых тел как основа разработки прецизионного электронно-лучевого технологического оборудования

Специальность: 01.04.04 - Физическая электроника

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

,0 ?<Г,......^

У*^*^... " ^ )

7

Москва 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте электронной и ионной оптики. •* *

С) Ь^Об

Официальные оппоненты:

академик РАН РФ, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор физико-математических наук,профессор

о а

.J J

Гуляев Ю.В. Масленников О.Ю. Уласюк В.Н.

Ведущая организация:

Московский институт электроники и математики (Технический университет)

Защита диссертации состоится 30 декабря 1997 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.063.91.03 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер. , дом 9, МФТИ, ауд. 204

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Диссертация в виде научного доклада разослана 28 ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертациио^ро^о ^со-^ета кандидат физ.-мат. наук

\\ Л

Скорик В.А.

Содержание работы

Глава 1. Состояние проблемы и общая характеристика работы. Глава 2. Компьютерное моделирование электронных пучков в ЭЛТУ.

2.1. Моделирование электронных пушек.

2.2. Моделирование осесимметричных фокусирующих магнитных полей.

2.3. Моделирование полей отклоняющих магнитных систем.

2.4. Некоторые особенности вычислительных алгоритмов .

2.5. Назначение и возможности пакета прикладных программ "CHARGE".

2.6. Результаты численных экспериментов.

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования электронных процессов в диэлектриках при обработке их поверхности электронным пучком.

3.1. Физическая модель электронно-лучевой обработки диэлектриков.

3.2. Экспериментальное оборудование.

3.3. Экспериментальные исследования явлений, возникающих при электронно-лучевой обработке поверхностей диэлектриков.

3.4. Анализ экспериментальных результатов.

Глава 4. Новые принципы и устройства для компьютерного управления технологическими процессами в ЭЛУ.

Глава 5. Разработка электронно-лучевого технологического - кя|удования нового поколения.

' """i 5.1. Электронно-лучевая установка для прецизионной обработки по

I

■зйным контурам. |5.2. Мобильный радиационно-технологический комплекс. г f 5.3. Электронно-лучевая установка для отжига полупроводниковых < '..фиалов, фяение.

f

Глава 1. Состояние проблемы и общая характеристикгп>аботы

Предмет исследования и актуальность темы

Предлагаемая диссертационная работа относится к области физической электроники, в частности, к исследованиям процессов формирования и взаимодействия электронных пучков с материалами в технологических процессах обработки электронным пучком. Электронно-лучевые технологии достаточно широко используются в точном приборостроении, микроэлектронике, машиностроении, медицине, экологии и т.д..

Расширение спектра электронно-лучевых технологий, разработка новых видов оборудования для их реализации, существенное улучшение параметров внедренных в промышленность типов обрудования неразрывно связаны с успехами физической электроники, вакуумной техники, физики вакуума и поверхности, электронной оптики. Значительную роль играет повышение уровня автоматизации управления технологическими процессами на основании исследований вторичных электронно-ионизационных процессов, сопровождающих воздействие электронного пучка на объект обработки.

Процессы и установки электронно-лучевой технологии служат объектом многочисленных исследований. Однако, тщательный анализ основных наиболее значительных работ в виде монографий и обзоров [1 - 5] показывает, что практически отсутствуют исследования, направленные на установление количественных взаимосвязей между электронно-оптическими параметрами первичного электронного пучка и процессами и явлениями на поверхности обрабатываемого изделия, доведенные до уровня создания автоматизированных промышленных установок прецизионной электронно-лучевой обработки поверхности твердых тел.

К сожалению, в последние годы в России работы в области создания электронно-лучевого оборудования для прецизионной обработки приостановлены в связи с финансовыми трудностями, а предприятия, выпускающие разработанное ранее электронно-лучевое оборудование (как технологическое, так и аналитическое) оказались вне границ России.

В этих условиях исследования процессов формирования электронных пучков и их взаимодействия с веществом, связанные с повышением эксплуатационных характеристик существующих и разработкой новых типов установок для электронно-лучевой обработки, являются особенно актуальными.

Актуальность настоящей диссертационной работы подтверждается ее соответствием Федеральной программе "Критические технологии" и Президентской программе "Национальная технологическая база".

т

Спектр применения в промышленности электронно-лучевых и ионно-лучевых технологий чрезвычайно широк. Особо следует отметить следующие виды технологий :

■ прецизионная электронно- и ионно-лучевая термическая размерная обработка материалов и изделий, в том числе прецизионная гравировка, сверление отверстий в твердых материалах с большой скоростью и пр.;

• высококачественная электронно-лучевая сварка и микросварка;

• электронно-лучевая технология испарения с осаждением (однослойные и многослойные покрытия, в том числе энергосберегающие);

• ионно-лучевая технология (в том числе имплантация, травление, очистка, распыление с осаждением многослойных покрытий , включая просветляющую оптику, и ряд других);

• ионно-плазменная технология (очистка, травление в полупроводниковом производстве, в точном оптическом приборостроении, в машиностроении);

■ высокоэнергетические электронно- и ионно-лучевые системы (новые технологии обработки высокоэнергетическими пучками в медицине, например, при лечении онкологических заболеваний, а также при решении ряда экологических проблем, например, обеззараживание питьевой воды и грунта в случае чрезвычайных ситуаций);

• электронно-и ионно-лучевое аналитическое приборостроение: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микроанализ и т.п.

Этот весьма не полный перечень использования электронно- и ионно-лучевых технологий показывает необходимость проведения исследований с целью создания научной базы разработки, проектирования и внедрения в промышленность нового ряда современного автоматизированного электронно-оптического оборудования.

Разработка современного надежного оборудования рассматриваемого класса невозможна без компьютерного моделирования процессов формирования электронных пучков с заданными энергетическими и геометрическими параметрами. До последнего времени параметры электронных пучков исследовались в основном экспериментальными методами в уже изготовленных установках. В настоящей работе предлагаются новые универсальные физико-математические модели и разработанные на их базе алгоритмы и программы для компьютерного моделирования и исследования характеристик электронных пучков во всех электронно-оптических элементах ЭЛУ, включая термоэмиссионную систему (электронную пушку), область формирования электронного зонда

магнитной линзой, систему отклонения электронного

ка, и, наконец,

область взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым изделием. Высокая степень адекватности компьютерного моделирования реальным физическим процессам обеспечивается использованием эффективных методов и алгоритмов современной вычислительной электронной оптики, в том числе, интегральных методов расчета физических полей и аберрационных методов расчета электронных траекторий. Разработанный под руководством и при участии автора пакет прикладных программ для компьютерного моделирования ЭЛУ включает в себя программные модули, предназначенные для расчета электрических и магнитных полей с учетом разномасштабности электродов термоэмиссионной системы, пространственного заряда пучка и влияния характеристик материала магнитопровода, а также расчета как отдельных траекторий, так и функций распределения плотности тока при прохождении пучком всей электронно-оптической системы ЭЛУ от эмиттера до обрабатываемого изделия. Результаты расчета параметров электронных пучков хорошо коррелируют с экспериментальными данными, представленными в литературе. Использование разработанного пакета программ при проектировании специализированных ЭЛУ весьма перспективно с точки зрения повышения качества и снижения сроков и стоимости разработок.

Другое направление работ, важное для создания нового поколения автоматизированного электронно-лучевого оборудования, заключается в исследовании взаимодействия электронных пучков с диэлектриками и металлами (как в твердой, так и в жидкой фазе) с целью научно -обоснованного определения параметров электронного пучка и оптимальных режимов управления технологическими процессами.

Цель работы:

Основная цель диссертационной работы заключается в создании научно-технических основ разработки нового поколения автоматизированного электронно-лучевого технологического оборудования различного назначения на базе высокоточного компьютерного моделирования процессов формирования электронных пучков с заданными параметрами, в проведении широкого спектра теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым материалом (металлами и диэлектриками) для разработки и внедрения новых электронно-лучевых технологий, а также в создании новых типов конкурентноспособного электронно-лучевого технологического оборудования.

ф,

В ходе работы решались следующие задачи:

■ разработка физико-математических моделей формирования электронного пучка в электронно-лучевых установках технологического назначения, а также технических требований на разработку соответствующего программного обеспечения,

• разработка физической модели и проведение экспериментальных исследований взаимодействия импульсного электронного пучка с диэлектриком,

• разработка аппаратных средств и программного обеспечения для компьютерного управления прецизионной ЭЛУ для гравирования и размерной обработки по сложным контурам.

■ разработка и внедрение в производство ряда новых электронно-лучевых установок, в том числе, компьютернографического комплекса для прецизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и цилиндрической формы по сложным контурам, мобильного комплекса для решения экологических проблем в чрезвычайных ситуациях, двухлучевой электронно-лучевой установки для поверхностной зонной рекристаллизации кремни ев ых пластин.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

1. Построены новые специализированные физико-математические модели, описывающие комплекс процессов формирования и транспортировки электронного пучка в ЭЛТУ с учетом разброса термоэлектронов по скоростям, температуры термокатода, эффектов ограничения тока пространственным зарядом вблизи поверхности эмиттера, а также аберрационных эффектов, связанных с прохождением электронного пучка через систему электростатической или магнитной фокусировки и систему магнитного отклонения.

Указанные результаты послужили основой для разработки пакета прикладных программ, предназначенного для компьютерного моделирования и оптимизации электронно-оптических характеристик ЭЛТУ (пакет прикладных программ в настоящее время внедрен в ГП НИИЭИО). Важное достоинство моделей и вычислительных алгоритмов, реализованных в пакете прикладных программ, заключается в том, что они не используют никаких дополнительных предположений о фазовых характеристиках электронного пучка при переходе от одного элемента электронно-оптической системы к другому (например, от электронной пушки к магнитной фокусирующей системе), а позволяют осуществить сквозной расчет всего многообразия электронных траекторий через все электронно-оптические элементы колонны.

2.Разработана новая физическая модель взаимодейстЖя электронного пучка с диэлектрическими материалами с учетом накопления, движения и стекания в вакуум пространственного заряда, вносимого электронным пучком.

Впервые обнаружен и исследован эффект стекания из стекол заряда, внесенного электронным пучком, обусловленным "убеганием" электронов в сильных краевых электрических полях вплоть до энергии, достаточной для их эмиссии в вакуум. Этот эффект позволяет создавать высококачественные электронно-гравированные изображения на поверхности диэлектриков(стекол).

3. Разработаны новые аппаратные средства и программное обеспечение для компьютерного управления электронно-лучевой установкой, предназначенной для прецизионной обработки поверхностей твердых тел по сложным контурам. В основу данной разработки положена оптимизация амплитудно-частотных характеристик усилителей и переходных характеристик шаговых двигателей, что позволило создать специализированный контроллер, обеспечивающий связь ПЭВМ с управляющими органами ЭЛТУ.

4. Создана и сдана в опытную эксплуатацию уникальная электроннолучевая установка для нанесения сложных художественных изображений на изделия из металлов и диэлектриков.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. На основе проведенных исследований создана научно-методическая база и программное обеспечение для проектирования электронно-лучевого технологического оборудования нового поколения с автоматизированным компьютерным управлением, а также предложена методика разработки технологических карт для обработки материалов с различными физическими свойствами.

2. Разработан и внедрен в опытное производство компьютернографический комплекс для прецизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и цилиндрической формы по сложным контурам.

3. Разработан мобильный комплекс для решения экологических проблем в чрезвычайных ситуациях.

4. Разработана и сдана в опытную эксплуатацию двухлучевая электронно-лучевая установка для поверхностной зонной рекристаллизации кремниевых пластин, весьма актуальная для решения ряда задач микроэлектроники.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Физико-математические модели формирования электронных пучков в электронно-лучевых технологических установках, учитывающие в комплексе разброс термоэлектронов по скоростям, температуру термокатода, эффекты ограничения тока пространственным зарядом, а также аберрационные эффекты, связанные с прохождением электронного пучка через систему электростатической или магнитной фокусировки и систему магнитного отклонения. Указанные модели являются надежной вычислительной базой для создания системы автоматизированного проектирования прецизионных электронно-лучевых технологических установок.

2. Физическая модель накопления, движения и стекания в вакуум заряда, вносимого в диэлектрики при их обработке электронным лучом. Согласно этой модели получение высококачественных электронно-гравированных изображений на поверхности диэлектриков (стекол) оказывается возможным благодаря впервые обнаруженному и исследованному эффекту стекания из стекол внесенного заряда, обусловленному "убеганием" электронов в сильных краевых электрических полях вплоть до энергии, достаточной для их эмиссии в вакуум.

3. Устройства, алгоритмы и программы для управления электроннолучевой установкой прецизионной обработки по сложным контурам.

4. Электронно-лучевое оборудование для прецизионной обработки плоских и цилиндрических изделий из металлов и диэлектриков, в том числе, компьютернографический комплекс для прецизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и .цилиндрической формы по сложным контурам, мобильный комплекс для решения экологических проблем в чрезвычайных ситуациях, двухлучевая электронно-лучевая установка для поверхностной зонной рекристаллизации кремниевых пластин.

Совокупность результатов и выводов, полученных в диссертации, может быть квалифицирована как решение крупной актуальной научно-технической проблемы, связанной с созданием научно-технических основ разработки нового поколения конкурентноспособного автоматизированного электронно-лучевого технологического оборудования ра�