Угловые и энергетические распределения ионов, эмитируемых галлиевым и галлий-индиевым жидкометаллическими источниками ионов. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМИЯ НАУК УКРА1НИ

1НСТИТУТ Ф13ИКИ

РГ6 од

ГДК 537.534.1- 5 ИЮН 1995' На правах рукопису

ЧОРНИЙ ВОЛОДИМИР 1ВАНОВИЧ

КУТОВ1 ТА ЕНЕРГЕТИЧН1 РОЗПОДГЛИ ЮН1В, ЕМ1ТОВАНИХ ГАЛ16ВИМ ТА ГАЛ1Й-1НД1еВИМ ?1ДКОМЕТАЛЕВИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ЮН1В

я»

01.04.04 - фйична електронЬса

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацГ/ на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук

Ки'/в - 1995

Дисертавдер е рукалис Робота виконана в 1нстигут1 фхэики HAH Укра1ни

Науковий KepiBHHK: доктор ({¿зико-математичних наук

про бе сор ИВДВЧЮВ ВАЛЕНТИН ШЫЮВИ4

0(|)1Ц1йнг опоненти: доктор ф13ико-математичних наук К0ВАЛ&2С0 BlTMlfl ПЕТРОВИЧ

кандидат ф!Зико-математичних наук К03ИР6В ЮР2Й МИОЛАЙОВИЧ

Нровхдна органгзацгя: 1нститут металофгзики HAH Украши.

Захист вхдбудеться годин

на зас1даннх Спецгал13ованог Вчено* Ради Л.01, 91).01 при

1нститут1-.ф13ики НАН'Украхни за адресов: 252028, m.Khib,

t

проспект Науки, 46.

3 дисертавдев можна ознайомитись у ÖiänioTeui Злстигуту физики HAH Украани.

Автореферат роз!слано "/ У " пУ&унИ__1995 р.

Вчений секретар Спеадалхаованох ради Ш.* B.A.llltfK

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнхсть теш. 1ошй дяерела - пристрог для одеряаяня на-правлеиих ¿онних потоков ще не так давно були еиклпчно елементом прилад1в для наукових доапджеиь: мас-сггектроиетргв, тонких мпсро-скотв, прискорювач1Б, тощо. В иих ¿онних дяералах використовува-лась хотзещя агом1в електронним ударом, поверхнева 1он1зашя, тершчна хонгзащя. Вимога високих технхчних парамэгрхв г онних даерел для таких прила/ав була бажаною, але не обоз'яэковою.

3 розвитком М1кротехнолог1й га иалотехнологхй (головням чином для М1кроелектрой1ки) з* явилась нэобхгднхоть в джерелах хонхв з невеликим розкцаом по енергчях, високою яскравхстю та лкнайменлшм пе-рерхэом ¿онного пучка. Такх ддерела нэобххлН1, наприклад, для хон-но-промэневих установок, цо застосовуються в електроншй промисло-вост1 для субмхкроннох л1тог,раф11, безяасковох 1мплантац11 легую-■ чих дом1шок в натзггровгдников! матергали, вадговлення та лагоджен-ня »ласок для рентген1всько1 та оптичнот ф0Т0л1Т0гра$11, проведения анализу елементного складу поверхнэвих шар1В ма?ср1ал1в, виправлен-ня' дефектов в електркчнкх ланотгах штегральних микросхем з метой шдвищения вмходу првдатних микросхем.

Найкра^ими джералами готв для цих хонно-променевих установок виявились р1дкометалев1 даерела 10шв - РЩЦ, в яких хони створю-ються внаслхдок дп електричного поля на вхстря, змоченз редким металом. Р1/Д1 являе собою практично точкове джерело, а це винятко-во щнно: янщо 1нсп 1онш даерела характеризуються значноэт просто-ровою протяжшстю а через це для фокусування 1ошв, що еьитуэтъся, в малу цятку застосовують складах оптичнх систем«, то завдяк» молим розм1рам РВД1 ыожеыо об1йтись багато прост I пою оптичною системою, нав1ть з урахуванням взаемного вшятовхуешдая хошв в пучку

та неминучих сферичних аберацНи

Завляки надзвичайно висок1й пскравосм цих джерел були одержа-н1 Д1вдатри пучк1в до 50 нанометров при щхльноетх хонного струму до 10 А/см*". Створення фокусуючих пристрой з розподхленням хошв за масаии дозволило використовувати салавнх РОДЦ, що при.звело до значного зб!лшення числа доступних хонхв. Були, наприклад, о.пер-жанх пучки всхх гонхп, необзидних для легування кремнш та арсени-ду галш. В комб1ншц1 э растровими тунельними ьикроскопами РЭД1 можуть стати основою нанотехнолоГ1й, якх аапочатковуиться.

Побудова практичних систем формування хоннгос пучкхв випереди-ла достатньо глибоке розушння фхзики процес1в, що лежать в основ! роботи РВД1, внаапдок чого при створенш таких систем виник рад трудноицв. Хоч на цей час с значна юлмисть роб1т та великий об-сяг експериментальних дан их, механхзи роботи РВД1 до цього часу 1В',е не повщстю з'ясований. Лиш вхдоыо, що вш включае значну гл-лыисть ефект1в: електро1чдродинамхчш процеси в елекгропровхднхй ргдюи П1д д1ео сильного електричного поля та поверкневого натягу« польове випаровування, мнне бомбарпувашя, перезарядка, польова 1сшаац1я та хн. 1 вс1 цх процеси вхдбуваються в надзвичайно малому (розшрами в десятки нанометр1в) об'еых, в якому електричнх поля досягають величин, блиэьких до внутрхпньоатомних, а щхльнхсть 1он1в, що емиуються, близька до щхльност1 атоихв в сущльноцу метал!. Спеотр хошв, що еы1туються РЦЙ, простягаеться В1д одноатом-них 1оя1в з р131 тми зарядами до зарядженкх крапель. Про те як спектр шив, що юнтуються так 1 IX просторовий та онергегичний

розподхл сильно зн1ноються при зкхнх зовн1шн1х параметров - складу сплаву, температури ддарела, величин« загалького денного струму, тощо.

З'ясування деталей иехашзну дох РЦЦ1 становить не т1льки фх-

зичний гнтерес, але вежливо э погляну застосування РОД1. Без знания того, В1я чого я ал ежить кхлыисть pÍ3HHx яаряяжених частинок в загальному гоннбму сгрумг, який е^птуеться РЗД1, а також íx роэпо-Д1лу в npocropi та по снерг!ях неможливо оппшзувати робоч1 характеристики РЦД!. Напри клад, при дослхяжэнш с плавких ЩЦ1 бгль-шхсть експериментагор^в вивчали ролподхл íohíb за маоами, зарядами та енергчями лише для одного напряыку, найчаст1тпе вздовх oci конусу eMXcií. А протв часто виявлялось, що тюс íohíb, як i необххдш для роботи шнно-променево'х установки,в промен: значио менпге, nim можна було передбачити, виходячи is складу сплаву. Передбачапись ргзнх причини цього явшца, але híxto не припускав, то ni iotw емх-тупться в достатнхП кхлькостх, але в шшоыу напрямку.

Таким чином, дослгиження р{дкометаяевих дкерел ionio стано-вкть собоп вельми актуаш1у проблему як ia загалыюфгэмчного по-гляду (фхзичний об'еет з багатьма окладиими i сЦкавими властивос-тями), так i з практичного погляду (РВД1 - дуя® перспективнх для застосування в («кроэлектрошцг та гнаих галузях техники). Найваж-ливiлим питаниям е -механхзм роботи РВД1, про який нема ч1тко1,пов-нох та сдино1 думки i через це нами була зд!йснена викладена нижче робота, яка дозволяе э'ясувати деяк! асяекти роботи РЦЦ1.

Мота uiei роботи - з'ясування кехамзму формування кутових та енергетичних розполШв íohíb в одноелементних та сплавних рхдко-металевих джерелах íohíb.

Наукова новизна роботи. На гтртклад1 галхй-1нд!евого РЭД1 вперто виявлет. сильях bí,hmíhhoctí кутових розподШв íohíb piamtx еле-mshtíb, що ем1гуються сиавяим ЩЦ1. Дослхджена эолежнгсть цього ефекту В1д складу сплаву, емтйкого струму та температур« мгерела. Запропоновано пояснения фхзичнох природи просторовот сепарацГ* íohíb рхзних елемен^в в сплавному РВД1, 40 грунтуеться на вреху-

ваш вхдмпшосп величини електричного поля, необх1дного для по-льового виларовування цих 1он1В.

Виквлоно силъну змхну кутових та енергетичних характеристик 10н1в 6а та 1п емгёованих галгсвшл або 1нд1й-гал1свим РВД1 при шдвищетп температуря джерела. Вперше виявлеш особливостх кутових та енергетичних розподШв багатоатомних однозарядних гон1В та одноатомних двозарядних 10Н1В при високих температурах джерел, як1 корелюють з особливостями розподШв однозарядних одноатомних 1ощв

На шдстав1 сукупност! окспериментальних даних висунуто припу-щення, (до зм1на кутових та енергетичних характеристик 10шв, що емхтуються э газового та галий-иццевого РВД1 при шдвищенш тем-ператури джерела,пов'язана ¡з зишоо режиму роботи джерела: переходом в нестабхльннй режим, в якоцу дкерело поряд з зонами емхтус эа-редженг кралях, Запропонована модель роботи РЦД1 в нестабиьному режиш, яка враховув взаемодш еихтованкх хошв а осцилюючою еьиту-ючою поверхнео, э зарядаениыи краалями та з атомами, якх виникають в результат! деэ1нгеграц11 цих кралель.

Практична цпшсть роботи.

1. ВиявлениЙ ефект сильно! просторово1 сепарацхЯ хонхв р1зних елемент1в, що емпуються ¿9 сплавного РЦЦ1, висувас нов1 вимоги до К0НСТруКЦ11 10НН0-Пр0М8Н8ВИХ уСТаНОВОК, ЯК1 ВИКОрИСТОВуЮТЬ ток1

РЦД1. Для настроювання на максимум виходу необх1дних 10Н1В повинна бути передбачена «ожлив1сть повороту I нахилу джерела В1дносно вх!Д ного пристрою 1онж>-оптично1 систем».

2. Показано, що в аалежностх В1д вибору режиму роботи РВД1 ширина енергетичного розподму хонхв може сильно зьпнюватись. Отже дл кожного джерела слЦ добирати оптимальний режим роботи (склад сплаву, струм еыхсГх, температуру джерела).

На захист виносяться наступи! положения:

1. Вперши выявлено велик-/ В1дмгнн1сть кутових розподол1В iohib ргзних рлемрнтгв, «мтованих сплавним РЭДЦ i пояснено $i-зичну природу просторовог сепаращi iohib роэних елеиентов в сплавному РЦЦ1, засноване на врахуранно в0дмонкост1 величин» напруженосТ1 електричного Коля, необхгдного для польового ви-парэвування цих iohib.

2. Всспериментально виявлено сияьну знхну кутових та енергетичних розпод1л1в розних iohib, що еьйтуються гал0евкм та гал!Я-1нд1евим РУД1 при змонг температуря джерела. Щ змони пов"язуються з переходом РЩ1 в нестабольний режим, в якоыу bih по ряд з оонами имотуе зарядженх крапчг, вр приводить до взаемо-

•д11. fiMiTOB3HHX IOHIB 3 0сцяясзч0э сы1гуячзв пзояр^!!», з заряд-женими краплями та з атомами, вр виникають в результат! деэонте-грацп цих крепель.

Достовоттсть отриманих результатов визначаеться ix вгд-тв0рюван1стю, використанняы комплексу сучасних методов дослод-. жерня, а також пхзнхшим пгдтвердженням окреиих отркианих результатов в працях 1нших досл1дник1в.

Внесок автора. Bei дослодкення, результате яких викладено в дан1й poöoTi, виконанг при безпосередн1й участ0 автора в пла-нуваннг та постановцо експерименту, в експериментальних вимо-рах, в обробод результатов та ix обговореннх.

Апробац0я роботи. Результати роботи догав0дались на 38-му Можнародноыу сдапозхумх з польово0 eMiciö ( Австр0я, Водень, 1991} ; 5-й (йкнародейй конференцо i з вакуумноi М0кр0електр0н1ки (AscTpifl, Водень, 1992) ; 3-й Всесоюзной

конф^р^нцп з мхкроанал1эу на хонних пучках С Стаи, 1990) ; Всесоюзному сршнар1 з молркулярно-прэменявзх митакси (Новосибхроьк, 1991} ; 6-й Республ1кансыай конйеренцхI з фхзичних проблем М1кроелектрон1ки (Севастополь, 1990) ; Всесоюзному ср&инар1 з хнтенсивних ¿онних джрр»л та пучмв (Кихв, 1990, 1991) ; 22-й конфррянц11 з емхсхйнох електро-нхки (Москва, 1994) .

Пубя1кац1 х. Основний зкйст дисертаадI воображено в 8 друкованих роботах; IX список с в К1нвд автореферату.

Структура дисрртацп. Дисертахия складаеться 13 всту-пу, чотирьох глав, висновк1в 1 списку цитованох лхтератури хз 118 назв. Лисрртащя »мстить 126 cтopiнoк тексту, 35 малюнкхв, 3 таблищ.

ЗМ1СГ РОБОТИ

У вступ! обгрунтована актуалыйсть трми досл1дж»иь, сфор-мульованг мята роботи та положения, що виносяться на захист, вхдображяна наукова новизна та практична ц1нн!сть роботи.

В прршй глаР! дисертаЦ1 х наведено критичний огляд експер! ментальних та теордтичних робгт, ир вхдносяться до. теми днсерг. цгI, а також стисло рэзгляяуто мохливх застосування рхдкомета-левих джерел хонхв, переважно в мхкроелектрон1Ц1. Загальна хдея РВД1 сходить до змхни форми поверхн1 р1дини гид дхею електричного поля та явища польового випаровування, виявле-ного Ервхном Ышляром. Останне явищя широко використовуеться в польовхй 10ннхй мхкроскош1 для одержання ато марно до с ко н ал о I павррхнх зобрвжуваного вхстря та в атомних зондах при дослхд-' ххьичного складу приповерхневих шар1в на вороши вхстря.

В найпростшому виглядх РВД1 складаеться з голки з радхусом округления вхстря бхля Юмки та витягуючого електрода (екстракт

б

ра). Поверхня голни вкриваеться шаром р1дкого металу. При подачг напруги на екстрактор, в результат I су купно:' дН сил поверхневого натягу, як1 прагнуть мхнгмхзувати площу поверх^ р1дини, та елект-ростатичних сил поверхня приймае, незалежно вхд властивостей мате-ргалу, форту конуса з нап!вкутом 49,3° (конус Тейлора). На вершин! цього конусу напружен 1сть поля досягав величини порядку 10® В/см 1 починаеться польова ем1с1я 1онхв. Через те, що рад1ус кривизни повэрхт рвдини в облаетI емхеп не перевицуе к!лькох нанометр1в, РЬЩ1 становить собою практично точкоеэ джерело, що виключно Ц1нно тим, що полегшуе фокусуваннй емхтованих 1он1В в малу цятку.

Енергхя пучка ВД1 може бути р1зтю: вхд одкниць "до со-тень килоэлектронвольт. Такими пучками можна виконувати ряд надпре-цез1йних робгт в м1краелектронщх - оброблюваги об*сети субмирон-них розмхрхв (мхкрофрезерування), з;ийскжвати базмаскову Ыпланта-цш легупчих добавок в налгппровхдниковг матерхали, проводити ана-Л1з елементного соаду поверкновж гвархз, виконувати л1тограф1чнх роботи в субм1кронному масштаб! та 1Н. Добриы грунтом для розгор-тання досдхджень з РЬЩ1 выявились результат« робхт, проведених в 60-т1 роки по створенгаэ електрогхдродинашчйкх двигунхв для систем ор1СнтацГх косшчних апярат1в.

На початку глави коротко розгля^то описанх в лхтературх ос-новнх конструкц11 РВД1 та IX застосування в М1кроелектрон1ц1. Най-важливхшои характеристикой РЬЩ1 е спектр випромгкюваних заряджених частинок. Основним ыехашзмом виникнення хонхв в РМД1 е польове ви-паровування. При в1дносно повхлыгому польовому випаровувати бгль-шхеть металГв, якпоказують доел1ди 1з.застосуванням атомних зондхв, звичайно випаровусться у виглад: 1он1в И^Г Режим роботи РВД1 суттп-во вхдрхзнявться: великий струм еыхехх, просторовий заряд, висика температура I т.д. спричиняпть те, що найчастше основною.компонен-

тою е ¿они М4", хоч спостер1гаеться також ечгсхя шив з б1лыпиы зарядом та м1крокрапель. Велика р1зномаштн1сть част инок спостерЬ гаеться при ем1С1г 13 сплавних РИД1. Повнох теоргх, яка поясню вала б спектр емк'ованих частинок, дос1 нема, через що становлять пгге-рес нов1 енсперименталыи дослгдаення. В певеличк1й зон1 (к1лька нанометргв) поблизу рхдкошталевого в1стря 01дбуваеться не т1льки народкення 1он1в, але I збудаення частинок, яке спричиняе оптичне випром1нювання, що також становись даерало шфсрмацп про ф!зичнх процоси в Р'»Щ1.

В огляд1 проангипзовано експерименталы« цанг про кутовх та енергетич!П характеристики РВД1, Дослхджеиня кутових характеристик РВД1 показало, що як ширина конуса екпсп, так I кутова густина струму сильно зележать, окрп! струму ем1С11, в;д геометрп в1стря.

Енергетичний розподхл 1онгв залежить тхльки вхд величини за-гального струму емхтера та його тетератури 1 не зшнюсться при зашх геометр!! ем1тера, тобто б кснклив1сть суттево зб^льшувеги кутову густту 1 о,того струму без збиыиення розкиду хонхв по енер-г1кх.

Для двозаряшних 1он1в кутовий розподи приблизно такий сашй як з для однозарядних; кластерш ште ыаеть б1льш вузький розподхл Ензргетичний розподхл ем1тованих хсшв е вожлквою характеристикою джерела тому, що вш несе хнформац!*) про мехашзы утворення юн1в 1 в необх1дним при конструювати ¡онко-оптичних систем.

В огляд! стисло розгляиут1 сучасн1 теоретичнх уявлення про ые хашс.м роботи РЩ1. Основою таких уявлень е товедшка р1дини, цо проводить елактричнкй струы, в електричному пол1 та польове випаро вуваяня. Реальна ситуация в умовах РЭДЦ1 ускладнюеться надзвичайно великим потоком хон1в, що випаровуються, а цо вимагае врахування погив, утвсрюваних сус^днЬш вшюровуваними частниками.

Теоретичном достижениям форми ргдкометалевого ем1тера прясгп-чено ряд робгт, се ряд якихстаневлять наШльпкй хнтерес роботи Sopöca, I.ksipa, Кингхема i Свонсона.

Форма рхдкометалевого CMirepa е самоузгодлеко» i утворюсться в процесх eMicii гид лхсга електричного поля, поверхневого натягу, об'емного заряду, гхдродинамхчних пронес ib. Особлквий iirrepec ста-новить форма вершини еьптера, до вгдбуваяться sei ocaosni процеси eMicii ionis, крапель, евхтла.

Характерною особл!пнстю РЦД1 е те, що cmicih з к>к, можлива не тхлькп у в игл яд i .iohib, пле i крапель, Крапликна емг ci я викликае иестабхлыпсть роботи РЦЦ1 при великих струмах, розиирання анерго-тичного розпод1лу. Амал1з цього реггдау роботи Р!-Щ1 детально розгля-дасться в роботах Гокера, ¡Сингхема, Своисона, Владимирова та iH.

На ocnoBi наявиих -.-птературних дйних зроблеко зисновок, цо ба-гато як! важливх деталх роботи Pifflt досх не вквчено. Но з'ясовано основнх фатаори, якх визначаюгь розподи хонхв за uacaj.ni, зарядами, кутами вильогу, енергхями; ix змхну при 3wiHi ioHHoro струму i температуря, не з'ясовано ыехахйзм виниккекня опткчного випркшнювання РЭД1, практично не дослхдаеш питания, пов'язанх хз взаемодхею ато-мхз рхзних елемешйв в зонх iOHisaixii сплавного РВД1.

В друтчй глав! дисергад1Х наведено опис експериментальнох установки та методика експериыетчв.-Експериментальна установка була створзка на ochobi маиптного мас-олзктрометра M1-I20IT. У вхгднхй частин1 кас-спектроыэтра (МО бу.то закрхплено барабан, пр обортпеться, в якому змонтовано на гэолгп'орах РМД1. Р?.Д1 становить собой тон-ку танталову трубку э В1стрям, яке пистулао з изг. Трубка прияаровэ-лась по траверз через двх вольфрамоз1 дужки, як г використоруюгься при narpiBi джерэла. Вершина вхстря РЦЦ1 знаходиться на oci об.:ртан-ня напроти серодини вх1дно1 щхляни Ж. На кевелкгаи (1-2 mv) uLicru-

Н1 в1д вершини В1стря до барабана прикреплений екстрактор з отво-ром д1аметром 3 мм для внходу 1онхв. Вся конструкщя закрита кожухом з норкавхпчох стал!, що прикр1плений до барабана, з вузькою (шириноо б1ля I мм) вертикальною пцлиною напроти вх1дно1 Щ1лини МС. Вххдна щиина ЫС була закрита екраном з нержав1ючо1 стал! з горизонтальною щоиною шириною 61 ля I мы напроти п середини. Таким чином,всередину МС попадав юнний пучок, який мае перер1з 1x1 мм^ на вметан! бхля 75 мм В1д даерела. Цз забезпечуе роздоьну здат-шсть приладу по кутай менте 1°. При обертанш барабана 1з кшвдк1-стю 0,3 об/хо вим1роваиня одшех кутово! залежност1 звичайно забирало 15-20 с.

При вюирюванм кутово'г залежносм хонного струиу виххдна Полина МС повн1стю вхдкрита, енергетична апертура МС бхля 40вВ, так що сигнал на виход1 ЫС практично пропорц1йний кутовхй щ1льност1 струму хонхв, що виыхрзються. РВД1 закр1плюеться на барабанI таким чином, щоб сканування по кутох проходило через центр конуса ем1с11. Енергетичнх розподхли хошв рхзних елемектхв визначапться виходячи з форми IX пШв на виход1 КС при настропванш ИС на максимальну роздхльну здатн1сть. Порхвняння мпимальнох ширили шка 10н1в на половинх висоти, що одержана в наших дослхдах, з лхтературниыи данный дозволило ощнити розд!льцу эдаписть установки по енергхях в 3 еВ.

В тиетхй глов1 викладен! разультати дослхдкення гал1евого та галН'1-1нд1евого РЦД1 при к1мнатн!й температур!. В проведение екс-периментах було п1дтверд*ено в1дом1 з лнератури особливостх кутових розпод1л1в детв 6а+ при кхмнаттй температур! даерела - наяв Н1сть максимумов кутовоI густини струцу на краю конусу ем1С!1, роз ширення конусу еихсхЗЁ 13 зростанням емхохйного струму, залежнхеть кутового розпод1лу донхв ба+ В1д форыи вершини В1стря. Новий и не

спод1ваний результат було отримано при досл1джети кутових роэгош-лгв 1оигв Ga + та In.* в сплавному гал1й-хнд1евому Була ви-

явлена сильна вгдмша кутових розподШв iohib гал1ю та хндш емх-тованих 1з сплавного raaifl-iiwiesoro джерела.

На мал. I зображет ку-TOBI розпод1ли юнхв та при к^мнатнхй

температур! джерела i малому, близькому до порогового,* eniciilnouy струмi 2 мкА. Для ioHiB кутовий розпо-

Д1л схожий на типовий кутовий роэпод1л однозарядних iohib для одноелементного джерела при низьких температурах. Л'я II5In + кутовий розподхл мае яскраво виражеhi максимуми при кутах ¿10°, кутова гусгиГ-на iOHHoro струму хцдш в цих максимумах в багато разхв перевичуе кутову густину в uempi конусу eMicii. Наведено mi сне пояснения цього ефекту, що грунтует ься на врахуваннх вifiuiни полхв вшаровування ioHiB rani» та ianit). Кожний ввд хонхв випаровуеться з Tiax частини поверхнх виступу на вершюй конусу Тейлора; де досягаеться необх1дне для випаровування електри-чне поле, 1они елементу, який 1онхзуеться легше, починавть випаро-вуватися з KOHitmoi частини виступу i попадають на край кутового розподхлу конусу eMicii. 1они елементу, який хон1зуеться труднте, виходять з вершини виступу i попадають в центральну частицу конусу eMicii".ЧЕЗули вивченг Kyroei розподои ionie Си HKi утворюоться

AltOY:

Ga 77V«at In ty/M. Си <01Vrf.

Erriulon currant: 2fA

О IS

Г. degree

Нал. I.

з невелико! (0,004 о.т.%) домшки б сплавь Щ юни ем1туються, в основному, в центральна! частиш. конусу емхсп, ¡цо в1дпов:дас высунутом/ ран I те пояснению. Досл1даення при гранично мал их (менш~1 мкА) струмах ешсИ показали, що х в цьому випалку спостерхгасться значний просторовий розподхл ¿ошв гал1ю та 1щпю. Щ рззультати кпжуть про те, що нав1ть при гранично малих струмах ешси на вершин! конусу Тейлора в РЩ1 с досить гонкий довгий виступ, на якому в^дбуваеться просторовий розпод1л 10Н1в ргзних елемешчв за раху-нок р1эно1 величини елеетричного поля, потрхбного для хх випарову-вання. Сильний просторовий розподы 10Н1в 6а + та Гп + при кхкнат-нпг температур! гал1й-хндхевого РЭД1 сшслерл'аегься при вс!х в.'.и- -стах 1шию в сплав1 (в1д 6 до 63 %) I при вс1х струмах ем!сх1 (I--20 мкА), якх нами доопджувались.

Величини гпк1с ¿ошв галш на вкход1 НС в наших експериментох перевищували чутлив1сть приладу на 4-5 порядков, що дозволяло до-«идаувати розпод1л шк хон1в за енерг1ями в широкому (б1льи 4-х пордщнв) динамхчному д!апа20Н1. При нхмнатнхГ: температур! джерзла хон1в енергетичш роэподхли юнхв гал!ю та 1нд1ю, що еьитуються з галхевого та галхй-1нд1свого РВД! при малих струмах емтх.мають близьку до гаусово1 форму 1 практично нз залежать !й вхд кута, н: В1Д струму ем!С11. При великих емхс1йнкх струмах ширина енергетич-ного розпод1лу на половин:, висоти шка збйьшуеться. При дослхджен-Н1 температурно! залежност1 розподхлу хонхв 2л + за енерг!ями ми проводили експерименти при ем1С1йному струм: 2 мкА, при якому енер-гетичний рсзподхл цих хотв при ммнатнхй ге.мпаратурх хще близький до п1деального".

Основним фактором, що визначае енергеткчний розподхл 1:он1в в умовах стаб1льно1 (без ем1с11 заряджених крапель) роботи РЩЦ, е взаемне вхдштовхувашя хон1В б1ля зони 10Н1эащ1 (ефект Бьорча1.

Наш! результати по енергетичному розподхлу 10Н1п галш та П1лш при мал их ¡гонцентрахигос пшш в сплав! шдтверздують, що ефект Еьорча е основною причиною енергетичного роз кипу шив в стагИльно-ну рсжим1 Р!.Щ1. Нкзькоенергетичний "хз4ст", що з'явллеться при великих струмах ем1с11 при (пшатшй температур! диерела, практично яникае при охдпачеих вхд центру конусу емгс¿х. Це свхцчить про те, що ф1зична природа хзиникнення цього хвоста така сила, як 1 аналогичного хвоста при шлих струмах емхсг I при п1двищених температурах джерела. Тобто при пхдвйщених струнах емхсп при ¡амнатшй температур: також вхдбуваеться екис1я зардщкених крзпель.

В четверт1й главх подан1 результати вивчення зм1ни робочих характеристик гал1евого та гал1й-1н;иевого РМД1 при шдвищеинх темпе-ратури джерела. Як кутовх так х енергетлчш характеристики Р14Ц1 при п1двитценн1 температур« I малих струмах е:.иси суттево змптоються.

Лхк кутано! густини струму хошв хндш роз^е плюет ься на два, як1 з пхдвищенняч температури джерела зсувоються в протилежних на-прямках. Кутова густина струму ¡он¿в го/пю зб1лыяуеться в центр1 конусу екисГх I змепшуеться на його периферий

При високих температурах даерела енергетичний тк 1ошв галш або хндхю под1ляеться на два. У гошв, якх еьптупться вэдовж ос1 конусу емхсх1, бхльш хзисокоенергетичний пп< з цих двох мае б1льшу амплхтуду х, кргм того, з'являвться широкий шк з 1стотно (на 30-50 еВ) мениою енерг хеп. При В1ддален1 вхд ос1 конусу ем1с11 широкий низькоенергетичний пхк зникае. Ашхлхтуда низькоенергетичного пхку збхлынуотьея 1 проходить через максимум на краю конусу ем1сг£,

В центр1 конусу емхсГх при П1двщенш температури джерела з'явлпютьел багатоатешнх одноэарщш ¿они

1п + х т.д., як! мають вузыи (менше 4° В1д осх конусу ем1с1х) кутов1 розпад1ли та значхп Шльш 50 еВ) енергодефвдти. В центр!

кутового розподму 1он1в ба при шдвицент температури ддерела з'являеться провал, кутова ширина якого приблизно така сама, як ширина кутового розподхлу багатоатомних 10н:в або однозарядных «шв 1з широкого низькоенергетичного шка.

Вплив температури дкерела на кутовх розподхли хон1в ба+ та Хп+ зменшуеться 1з збыьшегаям струму ем1с11; при струмах шасы бмьше 10 мкА сильний просторовий под1л цих !он1в зберггаеться I при рисоких ( ^ 750 К) температурах джерела. Сукугшсть експеримен-тальних результат¿в найкращеузгоджуеться з уявленнями про те, що при переход1 до високотемпературиого режиму вхдбуваеться перехгд вхд усталеного режиму роботи РВД1, який характеризуемся гснуван-ням стабгльного виступа на вершин! конуса Тейлора, до неусталеного режиму, за якого цей висгуп стае нестаб1льним I окрхм 10н1в емIтуе эарнажсн1 мхкрокраплх.

Модель, що пропонуеться, пояснюе спостереженг експерименталь-н1 зм1ни кутових та енергетичнкх розподШв рхзних хонхв при шд-вищенм температури РВД1. а також пояснюе фхзичний мехашзм виник-нення оптичного випромхновання РЭДЦ! •

0СН0ВН1 РЕЗУЛЬТАТА РОБОТИ

1. Проведено систематична дослздження галхевого та сплавного гал!й-1Нд1евого р1дкометалевого дкерела 10Н1В з домшкою мш. До-сл давно розпод1л юшв по масах, зарядах, кутах вильоту та енер-Нх. Вперсе виявлено сильну В1дьину кутових розподШв хонхв р1з-них елементхв, що емхтуються а сплавного РЭД1.

2. Дослдаена залежнхсть сепаращх 10Н1в по кутах внльоту вхд складу сплаву, ем1С1йного струму та температури ддерела. Запропоно-вано пояснения фхзично! природи просторово1 сепарацхх хон1в р1зних елементхв в сплавному ГВД1.

3. В сгагавному галхй-хщцевому РВД1 виявлено, що кутов1 та

енергетичнх розподШ1 íohíb сильно зышюються при П1двищенн1 тем-ператури даерела íohíb, особливо при мал их струмах euicii. Вперше виявлв1а особливостi кутових та енергетичних розпопчл¡в багатоатом-них одноэаряшпи íohíb та одноатомних двозарддних íohíb при высоких температурах джерел, як i корелюють з особливостями рояшшлу однозарядных одноатомних íohíb.

4. Эапропонована модель роботи РЭДД1 в нестаб'тыюыу режим!, в якому джерело пордд з ¡онами ем1туе заряожет краплини.

Ochobhí реаультати дисертацп опубл1ковая1 в роботах:

1. Медведев В.К., Чершй В.И. Угловые распределения ионов 6а + и Хп эмитируемых из сплавного галлий-индиевого жидкометалличес-кого источника ионов. Письма в ЯЭТФ, 1991, т. 53, в. 9, с. 484-487.

2. Кулик B.C., Медведев В.К., Попович H.H..Черный В.И. Угловое и энергетическое распределение ионов 6с+, 6а*? и эмитируемте галлиевым жидкометаллическим источником ионов. УФЖ, 1991, т. 36, » II, с. 1626-1635.

3. MedTedey V.K.. Chernji T.I.. Popo-rich Н.1Г., Angular and energy distributions of ione eaitted froe a Gain liquid alloy ion eourc* J.Vac.Sci.Technol.B, 1993. т.11,Н 2. p.5?3-526.

4. Кулик B.C., Медведев B.K., Попович H.H., Чершй В.И. Исследование угловых и энергетических характеристик ионного пучка из жид-кометаллических источников ионов. Тематический сборник научных трудов КГУ : физико-химические, структурные и эмиссионные свойства тонких пленок и поверхности твердого тела, 1992, с. 260-282.

5. Кулик B.C., Медведев В.К., Черный В.И. Исследование угловых и энергетических характеристик ионного пучка из жидкометалличес-к<эго источника ионов. Тезисы докладов на У1 Республиканской кон-

ференции по физическим проблемам ЭДДП-интегральной электроники. Севастополь, 1990, с. 122.

6. Chernjl Y.I., Medredev Т.Е., Kulik Т.8. Angular and energy distributions of ions emitted froe liquid eetol ion sources (MI8 Proe.38th IFBS (Tleana, Austria), 1991, p.3-55.

7. Uedveder Т.Г.. Chernjl V.I., Pouorich 1Г.И. Angular and energy distributions of ions eaittel froa Ga-In alloy liquid metal ion source. Proc. 5th Intern. Vaouua Microelectronics Conference (Vienna, Austria). 1992. p.2-16.

0. Медведев В.К., Кулик B.C., Попович Н.Н., Черный В.И. Исследование угловых и энергетических характеристик ионного пучка из -жидкометаллических источников ионов. Тезисы докладов ХХП конференции по эмиссионной электронике, Москва, 1994, т. 3. с. 39-.-40.

Черный В.И. Угловые и энергетические распределения ионов, эмитируемых галлиевым и галлий-индиевым жипкометаллическими источниками ионов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальнзсти 0I.C4.C4 - физическая электроника. Институт физики 1Ш1 Украины, Ки»в, 1994.

Защищается 8 научных работ па экспериментальному исследованию оа И Gain жидкометаллических источников ионов /лС.!1Л/. Обнаружено сильное ОТПИЧИй VI'Л'.SiIX ¿»определений ЮЮВ Inv И Go+ , эмитирурмьгс ИЗ сплавного i£<l'f<I. Предложена об"Я':Нение ЭТОГО ЯВЛеНИЯ, основанное на учете отличия полчй испарения иэнов галлия и индия. Рассматривается влияние эмиссии заряж°нны< капель из источника на угловые и энергетические распределения иэнэв.

Chernyi V.I. Angular end energy distributions of lona aoitted froa fla and Gain liquid-aetal ion sources.

The dissertation on the application of the degree of a candidate of physics and matheaatics sciences. Specialization - physical electronics 01.04.04-.

8 Scientific publications are defend. An essential difference in the angular distributions of the Ga+ and In+ ions eaitted froa the Gain liquid-aetal ion source was observed and explained taking into account the difference.in the deeorbing fields of these ions. The influence of charged droplet enisslon on the angular.and energy distributions of ions have been considered.

Ключов1 слова: р1дкометалевв джерело íohíb, ioHHa емЬпя, польове випаровування..