УДК 536.971

          Исследовались условия генерации мелкодисперсной фазы в источнике ионов индия и олова тигельного типа. Эмиссия микрокапель пороговым образом вызывает неустойчивость тока ионного пучка. Спектр размеров заряженных частиц является сплошным в диапазоне от 20 до 400 A°, а частотный спектр колебаний - дискретным в диапазоне 2 - 30 МГц. Наблюдаемые характеристики жидкометаллических источников интерпретируются в рамках модели полевой ионизации пара и теплового диспергирования жидкости в сильном электрическом поле.

          Острийные источники на основе проводящих жидкостей являются привлекательным объектом для исследований и технологических применений [1]. Такие источники используются в микроэлектронике для прецизионной модификации поверхности материалов, исправления дефектов масок, получения высококачественных пленок осаждением микрокапельной фазы. Разработка многоострийного источника также перспективна для создания космических двигателей малой тяги и термоядерных исследований [2].
          Несмотря на достаточно длительный период комплексного изучения источников данного типа, общепринятой интерпретации процессов в них еще не достигнуто. Это касается, в частности, механизмов генерации заряженных микрокапель и возбуждения колебаний ионного тока. Затруднительность трактовки наблюдаемых явлений связана с практической невозможностью их диагностики, так как процессы ионообразования происходят в области субмикронного масштаба.
          Многими исследователями предполагается, что в источниках на жидких металлах ионы образуются в результате полевого испарения из-за снижения потенциального барьера в сильном электрическом поле порядка 10⁸ В/см [3, 4]. Соответствующий расчет предсказывает весьма малый размер зоны эмиссии в десятки ангстрем и, как следствие, огромную начальную плотность ионного тока около 10⁸ A°/см².
          В экспериментах регистрировалось несоответствие состава пучка стехиометрическому составу исходного рабочего вещества. Такое различие не объясняется теорией полевого испарения [5]. Эта теория также совершенно не касается механизма генерации микрокапель в рассматриваемых источниках. В качестве такого механизма была рассмотрена неустойчивость Релея вытянутой микроструи жидкого металла [6].
          Существует также мнение о том, что острийные источники являются газоразрядными, и генерация ионов в них происходит в плазме газового разряда вблизи острия [7], которое обосновывается наличием здесь светящейся точки и зарегистрированной высокой плотностью возбужденных нейтралов с концентрацией порядка 10¹⁶ см^-3 [8, 9].
          В последние годы развиваются представления об аномальном испарении жидкости в электрическом поле в результате возбуждения электронной подсистемы металла, что может иметь место в катодном пятне вакуумной дуги и жидкометаллических источниках [10].
          В настоящей работе на основе изучения характеристик мелкодисперсной фазы жидкометаллического источника анализируются механизмы образования ионов и заряженных микрокапель при воздействии сильного электрического поля на поверхность проводящей жидкости.
          В экспериментах использовался источник ионов индия и олова тигельного типа с током до 150 мкА и энергией до 20 кэВ [11]. Спектры колебаний ионного тока регистрировались посредством анализаторов с полосой пропускания до 50 МГц и 10 ГГц. Масс-спектры получались с помощью анализатора со скрещенными E , H полями типа фильтра скоростей Вина (рис. 1). Усилитель постоянного тока позволял фиксировать токи величиной от 10^-12 А.

          При зазоре между острием и экстрактором около 0,5 мм эмиссия ионов наступала начиная с напряжения 4 - 6 кВ. До 30-40 мкА тока ионов эмиссия высокостабильна, а далее в пучке возбуждаются колебания тока с частотой около 25 Мгц. При непрерывном увеличении тока в спектре пороговым образом появляются все более интенсивные и низкочастотные моды, а ранее возбужденные моды сохраняются. Обращает на себя внимание дискретная форма спектра, т. е. в системе раскачиваются не любые, а выделенные моды. Максимальному току ионов олова 150 мкА соответствует минимальная частота колебаний около 2 МГц.
          Масс-анализ состава пучка, проведенный в широкой области токов, обнаруживает в целом неизменную форму спектра. Три наибольших по величине пика соответствуют ионам Sn⁺⁺ и Sn⁺ и группе легких частиц Sn⁺₂ и Sn⁺₃. В экспериментах четко зафиксировано, что колебания тока пучка возникают одновременно с эмиссией микрокапель [12], которым соответствует область малых удельных зарядов в масс-спектре (рис. 2). Оценки показывают, что при удельном заряде микрокапель q/m = 5·10⁴ Кл/кг на 15 атомов олова приходится один элементарный заряд, а скорость микрокапель при ускоряющем напряжении U = 6 кВ составляет vЦ2qV/m = 2,5·10⁶ см/с.

Рис. 2. Область масс-спектра ионного пучка, соответствующая группе микрокапель: 1 - Iв = 28 мкА; 2 - 40 мкА; 3 - 68 мкА; 4 - 95 мкА

          Для определения размеров микрокапель после их осаждения на графитовые пленки производилось фотографирование пленок под электронным микроскопом. Оказалось, что с увеличением тока пучка в нем появляются более крупные микрокапли, размеры микрокапель составляют сплошной спектр в широкой области от 20 до 400 A° количество самых мелких частиц превышает число самых крупных на три порядка, имеются отдельные частицы с диаметром микронного масштаба.
          Следует отметить, что генерация микрокапель не приводит к излому вольтамперной характеристики источника, в то время как масс-перенос при этом резко возрастает. Ток, переносимый микрокаплями, составляет малую долю ионного тока. Эти данные свидетельствуют о том, что генерация микрокапель не нарушает процесса эмиссии ионов.
          Приведенные выше характеристики микрокапельной фазы [13] могут быть интерпретированы в рамках теплового механизма диспергирования жидкости. Значительный перегрев вершины эмиттера острийных источников отмечался в ряде работ. В частности, для источника галлия температура острия достигала 1000°С [14].
          Источником нагрева является остросфокусированный пучок электронов, рождающихся при полевой ионизации паров металла и бомбардировке ионами электродов. Естественно, что порог генерации микрокапель по току ионного пучка определяется уровнем мощности, вводимой в жидкость вторичными электронами.
G          Характер сплошного спектра размеров микрокапель напоминает распределение пузырьков пара по размерам в кипящей жидкости, выражаемое формулой [15]

          Л и т е р а т у р а

          1. S w a n s o n L. W., B e l l A. E. Liquid metal ion sources: The physics and technology of ion source./ Edited by Ian Brown, Copyright, 1989, John Wiley & Sons. P. 313-330.
          2. Г а б о в и ч М. Д., П л е ш и в ц е в Н. В., С е м а ш к о Н. Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 248 с.
          3. G o m e r R.//Appl. Phys. V. 19. P. 365-375.
          4. K i n g h a m D. R., S w a n s o n L. W.//Ibid. A, 34, 1984. P. 123.
          5. S w a n s o n L. W., B e l l A. B., S c h w i n d G. A.//J. Vac. Sci Technology. 1988. B. 6(1). P. 491-495.
          6. Б а д а н В. Е., В л а д и м и р о в В. В., Г о р ш к о в В. Н., С о л о ш е н к о И. А.//ЖТФ. 1993. Т. 63. N 6. С. 47-65.
          7. С и х а р у л и д з е Г. Г.//Там же. 1997. Т. 67. N 11. С. 82-87.
          8. Д у д н и к о в В. Г., Ш а б а л и н А. Л. Электрогидродинамические эмиттеры ионных пучков: Препринт 90- 31/ИЯФ. - Новосибирск, 1990. - 30 с.
          9. V e n k a t e s a n T., W a g n e r A., N a s h D. I. et al.// Appl. Phys. Lett. 1981. V. 39. N 1. Р. 9-11.
          10. P t i t s i n V. E.// Rev. Sci. Instrum, 65(4). 1994. P. 1354. 1476-1478.
          11. Г а б о в и ч М. Д., Г а с а н о в И. С., П р о ц е н к о И. М.//ЖТФ. 1988. Т. 58. N 12. С 2367.
          12. Б а д а н В. Е., Г а с а н о в И. С.: Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. N 18. С. 49.
          13. G a s a n o v I. S. Tr.// J. of Physics. 1996. Т. 20. P. 1098-1108.
          14. H o r n s e y R. I., M a r r i o t P.// J. Phys. D.: Appl. Phys. 1989. V. 22. N 5. P. 699-704.
          15. З а в о й с к и й В. К.//Атомная энергия. 1964. Т. 16. N 1. С. 64-65.
          16. М ю л л е р Э. В., Ц о н г Т. Т. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. - М.: Наука, 1980. - 220 с.

          The conditions of small dispersive phase generation in the crusible type sourse of indium and of tin ions are investigated. The microdroplet emission cause by thereshold means the instability of ion beam current. The charge particle dimension spectrum is continuous in the diapazon up 20 to 400 A° but the frequency spectrum of ostillations is discrete the diapazon up 2 to 30 MHz. The observated characteristics of liquid metal ion sources are interpretated in the frame of model of field steam ionization and of thermal liquid dispersion in the strong electrical field.

Содержание журнала "Прикладная физика" N 3, 1999 г.