Исследование физических механизмов переноса ионизирующего вещества в полевых источниках ионов Снитко, Алексей Олегович

Введение к работе

Актуальность темы. Быстрое развитие микроэлектроники стимулирует исследования в области новых технологии производства микро-электронных приборов, позволяющих достичь большей МІІІІІіаТИіріІМПЦІІП элементов микросхем. К числу приоритетных направленно относится разработка и совершенствование ноино-лучевых технологий для создания структур на поверхности с размерами элементов мснео 1 мкм.

Сфокусированные ло субмикронных размеров ионные пучки все тире используются в сканирующей ионной микроскопии, нон-ноннпм микроанализе н в различных технологических операциях в микроэлектронике - ремонте масок для рентгеновской литографии, создании рисунка на резнете, безмасочном легировании полупроводников, нанесении и удалении проводящих дорожек и т.д. СЧ. Наиболее перспективными источниками ионов для нонно-пучковых установок оказались полевые жилкометаллнческне (ЖМИИ) и криогенные (ПКІ1Ю источники ионов," в которых ионы образуются в результате воздействия сильного электрического поля на острие, покрытое плен-коп жидкого металла или конденсированного газа. Благодаря чрезвычайно высокой яркости этих источников были - получены ионные пучки с диаметром ло 50 нм при плотности тока до 10 А/сьг. ,

Однако механизмы работы полевых источников до енх пор не вполне выяснены. К числу вопросов, требующих глубокого теоретического и экспериментального изучения, относятся исследования механизмов поступления ионизируемого вещества в область ионизации, в частности, возможная роль'поверхностной диффузии (ПД) п этоп поставке.

В ПКИИ ионизируемое вещество поступает на поверхность острия из газовой Фазы, при этом в область ионизации оно поступает как непосредственно из газа, так и, в значительно бопьшем количестве, нз конденсированной пленки на конической части острия. При исследовании полевой ионизации /Л, на поверхности вольфрамового острия при малых давлениях (3.10 Торр), Гомер 2] обнаружил, что конденсированная пленка водорода при т<5 К обладает чрезвычайно высокой подвижностью, вследствие этого в пбласіь

ионизации на вершине острия поступают молекулы^водорода с конической части с расстояний порядка 30 мкм. Представляет несомненный интерес исследование роли поверхностной диффузии водорода в реальном ПКИИ, в котором путем применения дифференциальной откачки удается увеличить давление водорода у острия на несколько порядков СЗ]. В проведенных к настоящему времени исследованиях ПКИИ водорода с дифференциальной откачкой обычно использовались острия большого радиуса <^г₀^>1 мкм). на которых сножно вилелнть поверхностную поставку водорода в зону ионизации на фоне поступления молекул из газа непосредственно на вершину, имеющую довольно большую ппощаль. В настоящей работе использовались острия

малого радиуса (<;*0.1 мкм) и довольно большие (-10 Торр) давлення водорода. Для выяснения механизма ПД водорода предпринято исследование'изотопического эффекта в нолевой ионизации водорода и дейтерия. Исходя из расчета электрического ноля на поверхности острия, проведен анализ различных механизмов поступления ионизируемого газа на вермшу острия: потока непосредственно нз газа, поступление с конической части острия путем последовательных прыжков (прыжковый механизм) н поверхностной днФФузни в конденсированной пленке.

Весьма интересным представляется исследование ПЛ металлов на поверхности острия C4J. Эти результаты представляют интерес для реализации режима работы ЖМИИ с диффузионной поставкой ионизируемого металла на вершину острия с его конической части. Такой режим может оказаться полезным нрн совмещении ЖМИИ со сканирующим туннельным микроскопом. Данные по ПД пленки U весьма полезны при интерпретации результатов, полученных с помощью литиевого десорбционного проектора. В настоящей работе предпринято исследование ПД лития с конической части молибденового острия на его вершину, очищенную десорбцией полем. Прн этом изучалась зависимость механизма диффузии, скорости и путей распространения пленки лития от толщины литиевого покрытия на конической части и от структуры поверхности вершины острия.

Прн исследовании ПД 11. выбор молибдена в качестве материала острия обусловлен тем, что имеются данные по диффузии и структуре шишок іі на различных гранях Но н W [5-8], а также днФФу-

зин И на вольфрамовом острие [9], что позволяет произвести сравнительный анализ реэультатоп. полученных на близких по своим свойствам подложках.

Цели настоящей работы:

развитие физических представлений о механизмах переноса ионизируемого вещества на вершину острия в криогенных источниках ионов;

исследование изотопического эффекта о полевой ионизации Нр и Dp при 5 К;

изучение ПД лития на молибденовом острие при различных температурах и концентрациях алсорбата;

разработка н экспериментальное исследование конструкций полевых источников ионов водорода н лития.

Научная новизна работы заключается в том, что в работе
впервые: "

1. Экспериментально обнаружен чрезвычайно большой ионный ток в полевом криогенном источнике ионов //->. свидетельствующий об аномально высокой подвижности Н_г на поверхности конденсированной пленки при 5 К.

2. Экспериментально обнаружен ярко выраженный изотопический эффект в полевом криогенном источнике ионов водорода, выражающийся в том. что при 5 К максимальный ток источника водорода на два порядка превышает максимальный ток источника дейтерия при одинаковых (1.10 Торр) давленнях газа в приборе.

3. Экспериментально изучены концентрационные зависимости поверхностной диффузии U на Но острие в интервале температур 170+300 К. Обнаружено, что скорость диффузии U увеличивается в пределах трех монослоев, претерпевая резкие иэмеяення при покрытиях, соответствующих заполнения очередных слоев U. Скорость и направление распространения пленки <-U вплоть до 3-х монослоев определяются кристаллографической структурой поверхности.

4. Показано, что после заполнения 3-го монослоя U скорость диффузии достигает максимума, и при 8>3 перестает зависеть от толщины напыленной пленки адсорбата, при этом распространение

лития из многослойного покрытия на чистую поверхность Но происходит путем движения трехслойной пленки.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Исследованы характеристики и рабочие режимы полевых криогенных источников ионов водорода н дейтерия.

2- Предложен метод количественной оценки поставки вещества в полевом криогенном источнике ионов, включающий в себя учет локального усиления потока вследствие неоднородности электрического поля и оценку эффективной площади острия, с которой происходит сбор ионизируемого вещества. Метод позволяет оценить величины рабочих токов различных газов и оптимизировать параметры источников.

3. Предложен источник ионов лития для практического применения в ионно-лучевых установках.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке и эксплуатации жидкометаллических и газовых ионных источников, используемых в нонно-лучевой литографии, космических двигателях, для термоядерного синтеза с инерцнальиым удержанием плазмы н сканирующей туннельной микроскопии. Данные по ПД U полезны при интерпретации результатов, полученных при помощи литиевого десорбцнонного проектора.

Основные защищаемые положения:

5. Поверхностный слой Н-, в конденсированной пленке при 5 К обладает аномально высокой скоростью диффузии (/> * 10 см с ).

6. В диффузии водорода на поверхности конденсированной пленки при 5 К наблюдается ярко выраженный изотопический эффект, выражающийся в том, что скорость ЛнФФузни Нр, по меньшей мере на два порядка, превышает скорость диффузии D-,.

7. Скорость поверхностной диффузии Li на No острие увеличи-и.кмгя на циа порядка при увеличении покрытия до трех нонослоев. ііідлеріїиіісія резкие изменения при заполнении очередных слоев липы При сверхнонослойных покрытиях в интервале температур I ill: ІОН К лиФФуаия /і на большинстве граней острия происходит по механизму |мзі;орачшіаіиіаеі ося ковра, при зі ом вплоть до трех

слоев скорость и направление распространения пленки лития завн-сят от кристаллографической структуры поверхности острия.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Исе-союзной школе по полевой эмиссионной микроскопии Шаллай, tOWi); XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев. 1907; Ленинград,1991); III Всесоюзной конференции но микроанализу на ионных пучках (Сумы, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных рабог, список которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 94 наименовании. Диссертация изложена на 120 страницах манинопнсного текста, содержит 24 рисунка.