Электромагнитные явления в низкоразмерных планарных периодических металлодиэлектрических системах миллиметрового-инфракрасного диапазонов волн

Сфокусированные пучки легких ионов МэВ-ных энергией могут взаимодействовать как с электронами, так и с ядрами атомов облучаемого материала. Вероятность взаимодействия иона с электронами облучаемого материала на несколько порядков превышает вероятность рассеяния ионов на ядрах атомов на первой половине своего пути. В данном случае вероятность рассеяния частиц на ядрах атомов мишени описывается понятием сечения рассеяния, которое характеризует вероятность перехода системы двух взаимодействующих частиц в определённое конечное состояние. Так как массы иона и электрона сильно отличаются, то в силу кинематических характеристик процесса рассеяния ион-электронные взаимодействия не могут значительно изменить траекторию движения падающего иона, которая в большинстве случаев представляет собой прямую линию. Энергия, которую тратит ион при таких взаимодействиях, имеет распределение с наиболее вероятной величиной около 100 эВ. Поэтому для иона с энергией нескольких МэВ могут произойти тысячи таких взаимодействий с электронами, прежде чем ион полностью потеряет свою кинетическую энергию.

Равномерное распределение дозы по глубине определяется свойствами иона практически равномерной отдачи энергии по мере своего движения. С потерей энергии и уменьшением скорости движения иона вероятность взаимодействия с ядрами атомов материала повышается, что приводит к искривлению траектории иона в конце своего пути. Главным преимуществом пучков легких ионов с энергий нескольких МэВ по сравнению с сфокусированными пучками электронов является практическое отсутствие эффекта близости. Энергия иона является одним из главных параметров, влияющих на их глубину проникновения для определенного материала. Это является важным свойством, которое позволяет создавать многоуровневые трехмерные объекты в резистивных материалах. Применение численного кода SRIM показывает, что пучок протонов с энергией 2 МэВ проникает на глубину 60,8 мкм в материале РММА обладающим резистивными свойствами, при этом отклонение на глубине 1 мкм составляет лишь 3 нм и 30 нм на глубине 5 мкм (рис. 1.1). Такие свойства позволяют применять сфокусированные пучки протонов при создании трехмерных нанообъектов с высоким аспектным отношением и высоким качеством боковых стенок (шероховатость на уровне 3 нм).

Рисунок 3.4 - Прохождение ионов с энергией 2 МэВ в слое PMMA: а - траектории ионов; б - потери энергии

Рассмотренные особенности физических процессов движения легких ионов в веществе стали основой применения сфокусированных протонных пучков с энергией несколько МэВ для экспонирования резистивных материалов с целью фабрикации микроразмерных структур. Возможность такого применения была продемонстрирована в конце прошлого столетия в ряде работ. В этих работах также были отмечены физические принципы, которые позволяли рассматривать такое применение как перспективную технологию для создания нанокомпонент. К этому времени были достаточно хорошо разработаны как теоретические, так и экспериментальные методы фокусировки микропучков протонов, получаемых на выходе из электростатических ускорителей. Такие аппаратурные комплексы получили название ядерный сканирующий микрозонд. Основной мотивацией применения микрозонда в фабрикации малоразмерных структур был поиск альтернативных методов в рентгеновской литографии для получения структур с высоким аспектным отношением (~100).

Фабрикация микро- и наноразмерных структур с помощью сфокусированных пучков протонов с энергией нескольких МэВ в настоящее время имеет устоявшееся название proton beam writing (PBW) и относится к литографическим технологиям высокого разрешения. Как и большинство технологий, она имеет две составляющие, это аппаратурная часть, обеспечивающая фокусировку пучка протонов с минимальными размерами и максимальным током на поверхности экспонируемого образца, и определенные условия экспонирования, которые устанавливают величину вносимой дозы облучения для каждого конкретного материала, методики сканирования пучком и обработки экспонированной области.

Современные аппаратурные комплексы ЯСМЗ, применяющиеся в технологии PBW, основываются на прецизионных электростатических ускорителях, в которых создание высокого напряжения на высоковольтном терминале осуществляется с помощью каскадного умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона. За счет усовершенствования электростатических ускорителей значительно улучшены параметры пучка на выходе: энергетический разброс в пучке , стабильность тока пучка %, яркость пучка .

В настоящее время в ряде исследовательских групп продолжается усовершенствование технологии PBW. Достаточно хорошо отработаны режимы и определены условия облучения для различных резистивных материалов. В таб. 3.13.1 приведены дозы облучения и характерные размеры полученных малоразмерных компонент для различных типов резистивных материалов. Из этой таблицы видно, что для ряда резистивных материалов (в основном это полупроводниковые материалы и диэлектрики) требуемая доза облучения достаточно велика. Это значительно уменьшает скорость создания малоразмерных структур. Увеличение плотности тока в сфокусированном пучке позволит ускорить процесс фабрикации таких структур.

Таблица 3.1 - Резистивные материалы, применяемые в технологии PBW

Перспективы развития технологии PBW связаны как с усовершенствованием ее аппаратной составляющей - аппаратурных комплексов ЯСМЗ, так и поиском новых типов резистивных материалов, которые позволили бы уменьшить размеры структур сфабрикованных с помощью сфокусированных пучков протонов. Одним из главных направлений усовершенствования ЯСМЗ является повышение плотности тока и уменьшение размеров сфокусированного пучка протонов до уровня <10 нм, что связано с новыми исследованиями систем формирования прецизионных пучков протонов МэВ-ных энергий.

3.3 Физические принципы фокусировки пучков в зондоформирующих системах

Система, которая создает микропучок протонов, представляет собой сложную прецизионную установку. На рис. 1.2, представлена общая схема расположения основных составляющих ЯСМЗ, где 1 - источник ионов, 2 - электростатический ускоритель, 3 - ускорительная трубка, 4 - анализирующий магнит, 5 - щелевое устройство, 6, 7 - объектный и угловой коллиматоры, 8 - система жесткой фокусировки, 9 - сканирующая система. Первоначально источник 1 создает пучок легких ионов - в случае PBW это , которые поступают в ускоритель 2 и в ускорительной трубке 3 приобретают энергию нескольких MэВ. Почти во всех электростатических ускорителях можно осуществлять регулировку энергии частиц без существенного влияния на остальные характеристики пучка. На выходе из ускорителя пучок, как правило, обладает неравномерным массовым и зарядовым составом частиц (). В этом случае применяется анализирующий магнит 4 и щелевое устройство 5, которые позволяют выделить из пучка частицы одного сорта. Объектный коллиматор 6 в свою очередь выделяет часть пучка с минимально необходимыми размерами и максимальной величиной тока, а угловой коллиматор 7 отсекает частицы, обладающие недопустимыми углами расходимости. Фокусирующие элементы 8, расположенные вдоль ионопровода, формируют пучок в зонд на поверхности облучаемого материала. Поэтому объектный и угловой коллиматор вместе с фокусирующими элементами принято называть зондоформирующей системой. Сканирующая система 9 обеспечивает необходимое расположение зонда на поверхности облучаемого материала за счет отклонения пучка с помощью изменяющегося во времени поперечного электрического или магнитного поля.

Рисунок 3.5 - Схема традиционного расположения основных частей ЯСМЗ

Движение заряженных частиц описывается в декартовой системе координат, в которой ось связана с осью пучка в ЗФС, а оси и дополняют ось до правой тройки и задают поперечные отклонения частиц пучка от оси. В силу того, что в традиционной схеме ЗФС частицы не приобретают продольную дополнительную энергию, поэтому вместо канонических фазовых координат рассматриваются поперечные или траекторные фазовые координаты частиц в виде , где , , проекции вектора скорости на оси введенной декартовой системы координат. В дальнейшем под фазовыми координатами пучка будем понимать координаты . Таким образом пучок заряженных частиц в каждой поперечной плоскости с координатой занимает некоторый фазовый объем, величина которого определяет эмиттанс пучка.

Главной составляющей ЯСМЗ, которая есть предметом исследования данной работы, является ЗФС. Одним из основных требований, предъявляемых к таким системам, является способность обеспечить достаточный ток пучка при минимальных размерах пятна на мишени. Величина тока особенно важна, так как она определяет время, за которое облучаемый материал получает необходимую дозу, а следовательно и скорость технологического процесса. В свою очередь размер зонда задает точность самого процесса. Противоречивость таких требований состоит в том, что увеличение тока пучка сопровождается ростом размеров зонда, поэтому она не может быть решена с применением пассивных ЗФС, которые представляют собой набор диафрагм (объектный и угловой коллиматоры). В этом случае формируется пучок с заданными размерами, путем ограничения частиц с разными углами расходимости, но плотность тока при этом составляет . Поэтому рационально применять активные ЗФС, которые в дополнение двух коллиматоров имеют еще и линзовую систему фокусировки.

Наиболее распространенными являются активные ЗФС, в которых применяются ионно-оптические элементы с аксиальной симметрией электрического или магнитного поля, а также элементы с квадрупольной симметрией. Отличительная особенность аксиально-симметричных полей состоит в том, что фокусирующее действие здесь осуществляется тангенциальной составляющей поля, которая в области близкой к оси имеет очень малую величину. Поэтому такая фокусировка называется слабой. Оценку необходимой индукции в активных элементах с соленоидальным магнитным полем для сравнения геометрически одномасштабных процессов фокусировки электронов и протонов можно сделать на основании соотношения магнитной жесткости пучков:

,

где , - необходимая магнитная индукция для одномасштабной фокусировки протонов и электронов соответственно;

, - массы протонов и электронов, соответственно;

, - энергия протонов и электронов, соответственно.

Так для электронов с энергией кэВ и протонов с энергией 2 МэВ в соотношении (0.1) , что говорит о невозможности применения соленоидальных магнитных полей для целей создания одномасштабных процессов фокусировки протонов в сравнении с электронами. Однако существуют примеры применения сверхпроводящих соленоидов для фокусировки протонов МэВ-ных энергий в ЯСМЗ. Здесь стоит отметить, что параметры этих ЯСМЗ в значительной степени ограничены недостаточной магнитной индукцией. К недостаткам такого типа активных элементов стоит отнести сложность конструкции, применение сверхпроводящих материалов, сильное рассеяние магнитного поля на выходе пучка, затрудняющее работу регистрирующей аппаратуры. Все это ограничивает применение и использование сверхпроводящих соленоидов в ЗФС.

Другими активными ионно-оптическими элементами для целей формирования пучка в ЯСМЗ являются квадрупольные линзы, которые в настоящее время широко применяются для фокусировки пучков заряженных частиц высоких энергий в ускорительной технике. Если сравнивать оптическую силу квадрупольных электростатических и магнитных линз, то первые будут иметь предпочтение при фокусировке тяжелых частиц низких энергий, так как их действие не зависит от отношения заряда к массе частиц, а определяется только их энергией, что видно из соотношений для безразмерного возбуждения магнитного и электростатического квадруполей в виде:

где - эффективная длина поля линзы, которая определяет пределы действия линзы на частицы в пучке;

, , , - заряд, масса, энергия частиц и разность потенциалов, пройденная частицами пучка соответственно;

- магнитная индукция на полюсе магнитного квадруполя;

- потенциал полюса электростатического квадруполя;

- радиус апертуры линзы.

Исходя из соотношения (0.2) для легких ионов с энергией нескольких МэВ наиболее эффективным является применение магнитных квадрупольных линз. Конструктивно магнитная квадрупольная линза состоит из четырех полюсов, расположенных симметрично относительно продольной оси с чередованием полярности. Между полюсными наконечниками создается поле гиперболического типа. В плоскости линза собирает заряженные частицы, а в плоскости она их рассеивает, т. е. квадруполь астигматичен. Внутри линзы, достаточно далеко от ее краев, продольная составляющая напряженности поля близка к нулю и поле преимущественно поперечное. В этом состоит еще одно отличительное свойство квадрупольной линзы от осесимметричной, у которой основная составляющая напряженности поля продольная. Поэтому квадрупольная линза обладает гораздо большей оптической силой, что видно из соотношения, где безразмерное возбуждение, определяющее оптическую силу линзы, пропорционально зависит как от величины магнитной индукции на полюсах линзы, так и от ее длины эффективного поля. Оказывая на пучок заряженных частиц собирающее действие в одном направлении, магнитный квадруполь рассеивает его в другом, перпендикулярном первому. Если необходимо сконцентрировать пучок заряженных частиц во всех направлениях, то в таких случаях применяют системы линз. При этом линзы располагаются последовательно так, чтобы их плоскости симметрии совпадали, а полярность полюсов обеспечивала чередование собирающих и рассеивающих плоскостей. Такие системы могут быть собирающими во всех направлениях и не только обеспечивать концентрацию пучка заряженных частиц, но и собирать в первом приближении вышедший из точки пучок снова в точку, что определяет стигматичность системы.

Рисунок 3.6 - Магнитная квадрупольная линза с гиперболическими полюсами

3.4 Основные типы квадрупольных зондоформирующих систем

Классификацию квадрупольных ЗФС можно провести на основании физических принципов формирования зонда на мишени, связанную с компоновкой магнитных квадрупольных линз. Различают два типа компоновки ЗФС, применяемых в ядерных микрозондах: одноступенчатая и многоступенчатая системы. Первый тип характеризуется наличием одной плоскости объекта (объектного коллиматора) и одной плоскости изображения (плоскости мишени). В то время как в многоступенчатых системах виртуальное изображение, получаемое от первой ступени, является объектом для второй и т.д. Количество плоскостей изображения (или объекта) определяют количество ступеней в ЗФС, при этом мишень располагается в последней плоскости изображения.

Рисунок 3.7 - Два типа компоновки ЗФС: а - одноступенчатая система; б - многоступенчатая система

Одноступенчатые квадрупольные ЗФС как правило, состоят из объектного и углового коллиматоров, которые задают начальное фазовое множество пучка, и ряда магнитных квадрупольных линз, расположенных вдоль оптической оси. Причем каждая из линз может быть запитана от одного из двух источников питания с возможностью инверсного направления тока в катушках полюсных наконечников. К недостаткам такой компоновки можно отнести отсутствие возможности варьировать коэффициенты уменьшения системы, что приводит, в случае необходимости изменения размеров пучка на мишени, к неэффективному уменьшению размеров коллиматоров и значительному уменьшению тока пучка.

Другая компоновка, в виде многоступенчатой квадрупольной ЗФС (рис. 0.0 б), представляет набор из нескольких одноступенчатых систем с двумя источниками питания на каждой из ступеней. В такой телескопической системе виртуальное пятно сфокусированного пучка является объектом, размеры которого уменьшаются последующей ступенью. При этом создается возможность менять коэффициенты уменьшения, при этом в каждой виртуальной плоскости изображения значительно увеличивается расходимость пучка, что влияет на размер пятна на мишени вследствие аберраций. Это говорит о несогласованности ионнно-оптических характеристик каждой из ступеней. Поэтому возникает необходимость в промежуточном коллимировании пучка для удаления частиц с большими углами расходимости, а это в свою очередь уменьшает ток пучка. Такого вида двухступенчатые системы могут применяться в микрозондовых установках, где для поставленной задачи нет необходимости обеспечить высокий ток пучка, а важен заданный размер пятна на мишени.

Несмотря на то, что в зондоформирующих системах используется понятие гауссовой оптики, эти системы не относятся к изображающим системам. К ЗФС не предъявляется требование получить правильное изображение объекта. Основной задачей таких ионно-оптических систем является концентрация наибольшего количества частиц в малой области на поверхности мишени. На основании теоремы Лиувилля, о невозможности изменения фазового объема, занимаемого пучком, с помощью консервативных систем, к которым относятся квадрупольные ЗФС, процесс формирования зонда в таких системах может быть описан следующим образом. Из первичного ускоренного пучка выделяется первоначальный фазовый объем, с помощью объектного и углового коллиматоров. В дальнейшем система квадрупольных линз деформирует этот фазовый объем, уменьшая его линейные размеры на мишени (, ) за счет увеличения угловых размеров (, ), сохраняя общий фазовый объем пучка или его эмиттанс.

Процесс формирования зонда на мишени по сути представляет собой преобразование фазовых координат частиц в пучке из плоскости объектного коллиматора в плоскость изображения с учетом решения траекторных нелинейных дифференциальных уравнений. Приближенное решение этих уравнений, описывающих динамику пучка в электрических и магнитных полях квадрупольных линз, имеет вид:

где , , , - фазовые координаты частиц пучка в плоскости объектного коллиматора;

- координаты отклонения частиц, от оси в плоскости образца;

д - разброс частиц по импульсу;

- коэффициенты уменьшения ЗФС;

, - коэффициенты астигматизма;

- хроматические аберрации;

, - собственные и паразитные сферические аберрации.

Соотношение показывает, что системы с большими коэффициентами уменьшений способны обеспечить малый размер зонда при достаточно больших размерах объектного коллиматора. Однако аберрации при этом имеют большие значения, что приводит к необходимости уменьшения углового коллиматора. Поэтому улучшение параметров сфокусированного пучка на мишени связано с поиском таких систем, в которых сжимающее действие на частицы пучка, что обеспечивается коэффициентами уменьшения, преобладало бы над рассеивающим действием присущим коэффициентам аберраций.

В силу своих физически свойств наиболее широко используются МКЛ в качестве активных элементов формирования пучка в ЯСМЗ. В настоящее время в ЗФС на базе мультиплетов МКЛ применяются системы из двух, трех, четырех, пяти и шести линз, каждая из которых подсоединена к одному из двух независимых источников питания. Применение только двух источников питания линз вызвано необходимостью создания стигматической фокусировки в обеих плоскостях и , что выражается в равенстве нулю коэффициентов астигматизма. Это позволяет однозначно определить величину токов в катушках линз и произвести фокусировку пучка. Введение дополнительных источников питания приводит к неоднозначности процедуры стигматической фокусировки. Поэтому поиски новых типов ЗФС сводились к исследованиям систем с различным количеством МКЛ в системе и оптимальному их расположению вдоль оптической оси.

Простейшая одноступенчатая система, состоящая из двух квадрупольных линз, имеет название дублет. Он получил наибольшее распространение. Дублет - это две соосно расположенные квадрупольные линзы, полярность полюсов которых расположена таким образом, что собирающая плоскость одной из них совпадает с рассеивающей плоскостью другой. Обе линзы расположены как можно ближе к поверхности образца и запитываются от разных источников. Анализ ионно-оптических свойств ЗФС на базе дублета МКЛ показывает, что оптическая сила второй линзы должна быть больше первой. Увеличение длины линзы, что с одной стороны позволит сохранить оптическую силу, приведет к большему отличию в значениях коэффициентов уменьшения и с другой стороны. Уменьшение рабочего расстояния увеличит , при чем особо не изменится. Возможность увеличения как так и возможно лишь за счет увеличения длины системы . К примеру, описана модернизация ЗФС на базе дублета МКЛ. На такой установке было получено разрешение , и ток пучка при этом составлял 10 пкА, коэффициенты уменьшения достигали и , яркость пучка - .

Рисунок 3.8 - ЗФС на базе дублета МКЛ: а - схема расположения линз в системе; б - огибающая пучка в и плоскостях. Q1, Q2 - магнитные квадрупольные линзы; - длина ЗФС; - рабочее расстояние

Триплет представляет собой более гибкую по своим оптическим свойствам систему, состоящую из трех квадрупольных линз. Высокое возбуждение полюсов каждой линзы позволяет с некоторыми преимуществами изменить ионно-оптические свойства такой ЗФС. Значения коэффициентов уменьшения имеют не большие отличия в и направлениях. Наблюдается промежуточный кроссовер пучка в плоскости . Даже в случае уменьшения рабочего расстояния или варьирования длины системы есть возможность увеличить и без существенного изменения в их соотношении. Главным условием при использовании мультиплетов квадрупольных линз в качестве ЗФС является расположение последних двух линз на минимально возможном расстоянии. Поэтому в триплете возможно свободное размещение первой линзы вдоль оптического тракта, что задает еще один свободный геометрический параметр в таких системах. Этому вопросу посвящен ряд исследований, которые установили оптимальное расположение первой линзы, позволяющее увеличить , и аксептанс системы. На данный момент наилучшее разрешение ЯСМЗ достигнуто на базе триплета, имеющего название «Oxford». Наилучший размер зонда в такой системе составляет при токе пучка 50 пкА, коэффициенты уменьшения и , яркость пучка . Однако недостатком использования триплета является невысокий аксептанс системы, и поэтому в режиме микроанализа, когда ток пучка требует больших значений, используют другие конфигурации ЗФС. В режиме малых токов пучка для задач PBW достигнут результат в 20 нм при токе около 1 фА, что также говорит о невысокой плотности тока в зонде.

Рисунок 3.9 - ЗФС на базе триплета МКЛ: а - схема расположения линз в системе; б - огибающая пучка в и плоскостях. Q1, Q2, Q3 - магнитные квадрупольные линзы; - длина ЗФС; - рабочее расстояние; - геометрический параметр расположения первой линзы

Первые теоретические работы по применению жесткой фокусировки были посвящены определению целого класса систем из квадрупольных линз, которые могли бы применяться в микрозонде и в качестве эквивалента осесимметричным линзам имели такие же зависимости фокусирующих свойств от градиента поля. Такие системы были впервые предложены Дымниковым в 1965 г. в бывшем СССР. Система из четырех квадрупольных линз с определенной симметрией в расположении линз и их питании является аналогом собирающей осесимметричной линзы по своим характеристикам, так как в ней обеспечивалось равенство коэффициентов уменьшения в обоих поперечных направлениях. Первоначально они имели значение не превышающие 10, но в случае объединения линз в дублеты и увеличения расстояния между ними можно достичь коэффициентов .

Рисунок 3.10 - ЗФС на базе квадруплета МКЛ: а - схема расположения линз в системе; б - огибающая пучка в и плоскостях. Q1, Q2, Q3, Q4 - магнитные квадрупольные линзы; - длина ЗФС; - рабочее расстояние; - геометрический параметр расположения первого дублета МКЛ

В зарубежной литературе такая система получила название «русского» квадруплета. Он представляет собой набор четырех квадрупольных линз, которые запитываются от двух независимых источников. В основу создания первой установки протонного микрозонда (Харруэл, Великобритания) было заложено использование такого квадруплета. В последствии это привело к созданию ионных микрозондов в ускорительных лабораториях по всему миру. Стоит отметить, что дополнительные параметры в виде свободно располагающихся первых двух линз вдоль оптического тракта вносят положительные факторы, влияющих на ионно-оптические свойства, которые позволяют улучшить разрешение ЗФС. Здесь видны два промежуточных кроссовера как в так и в поперечных плоскостях, что и обеспечивает рост коэффициентов уменьшения.

Наилучшие результаты применения распределенного «русского» квадруплета получены на микрозондовой установке LIPSION, Лейпциг, Германия. В результате преодоления рубежа пространственного разрешения 0,1 мкм установка LIPSION получила возможность использования в режиме ядерного сканирующего нанозонда. Коэффициенты уменьшения ЗФС составляют . Ядерный нанозонд LIPSION используется в различных целях: количественный элементный анализ вещества; анализ структуры и дефектов в кристаллических материалах; изучение электронных свойств полупроводников для дальнейшего их использования при создании микроструктур; PBW, которому в последнее время здесь уделяется особое внимание.

Сравнительный анализ экспериментальных данных в рассмотренных микрозондовых установках, в которых применяются различные ЗФС, крайне затруднен в связи с неодинаковыми параметрами пучков ионов в электростатических ускорителях. В первую очередь к этим параметрам относятся яркость и энергетический разброс ионов в пучке. Эти параметры в большей степени определяют размеры и плотность тока в зонде. Поэтому в ряде работ проведен теоретический сравнительный анализ различных одноступенчатых ЗФС. Такой анализ основывается на различных методах решения нелинейных траекторных уравнений движения заряженных частиц в магнитных полях квадрупольных линз. Это позволяет определить ионно-оптические характеристики ЗФС, к которым относятся коэффициенты уменьшения и коэффициенты аберраций, определяющих нелинейный характер движения частиц в квадрупольных ЗФС. Динамика пучков в таких нелинейных системах основывается на оптимизации процессов их формирования, с целью получения наилучших параметров зонда. Рассмотрена задача влияния геометрических параметров на размеры зонда и плотность тока. Здесь показано, что расположение первых линз вдоль оптической оси имеет область своего оптимального расположения. Длина ЗФС не влияет на плотность тока в зонде. Наибольшее влияние оказывает величина рабочего расстояния. Для распределенного «русского» квадруплета существует оптимум рабочего расстояния ? 0,04 м, которому отвечает максимум плотности тока, в то время как для триплета МКЛ плотность тока неуклонно растет с уменьшением рабочего расстояния до величины 0,01 м. Влиянию количества линз в системе на параметры зонда посвящена работа, здесь показано, что увеличение количества линз от двух до шести сопровождается ростом плотности тока в зонде. Однако системы с пятью и шестью линзами имеют отличие в переделах погрешности вычислений из чего делается вывод о не целесообразности применения одноступенчатых ЗФС с количеством линз более шести. Так же отмечается, что с уменьшением размеров зонда уменьшается и плотность тока.

Проведенный теоретический анализ влияния геометрических параметров на параметры зонда согласуется с экспериментальными данными полученными на ЯСМЗ CSIRO-GEMOC, Сидней, Австралия]. Здесь применена распределенная ЗФС с пятью МКЛ - пентуплет. При постановке задачи было установлено требование значительного увеличения (до нА) тока при небольшом росте размеров зонда, что необходимо при локальном микроанализе примесей в исследуемых геологических образцах. Решение задачи оптимизации основывалось на выборе двух геометрических параметров , . Экспериментально был получен размер зонда мкм при токе пучка 0,5 нА, коэффициенты уменьшения для этой ЗФС имеют не большие значения . Дальнейшие попытки усовершенствовать ЗФС такого типа с целью повышения коэффициентов уменьшения не принесли положительных результатов в силу использования некорректного метода оптимизации, основанного лишь на соотношении коэффициентов уменьшения и сферических аберраций третьего порядка, что не учитывает корреляции размеров объектного и углового коллиматоров.

Рисунок 3.11 - ЗФС на базе пентуплета МКЛ: а - схема расположения линз в системе; б - огибающая пучка в и плоскостях. Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 - магнитные квадрупольные линзы; - длина ЗФС; - рабочее расстояние; , - геометрические параметры расположения первых двух МКЛ

Выводы к разделу 3

1. В данном разделе освещены основные принципы построения ЭОС различных конфигураций для формирования ЭП в приборах электровакуумной техники. Анализ таких систем показал, что к настоящему времени для практических приложений наиболее актуальной является задача оптимизации параметров аксиально-симметричных ЭП, которые нашли широкое применение как в электронике СВЧ, так и в электрофизических технологических установках по обработке материалов и их диагностике. Поэтому поставленная в работе задача разработки методики моделирования и анализа процессов формирования ЭП в статических аксиально-симметричных полях является актуальной.

2. Рассмотрены традиционные и новые разработки систем формирования и фокусировки потоков электронов в СВЧ-приборах типа ЛБВ, ЛОВ, ГДИ.

3. Проведен анализ классических и актуальных в настоящее время численных и экспериментальных методов исследования параметров ЭП, на основании которого показана целесообразность использования метода переходного излучения в эксперименте и метода конечных интегралов при численном моделировании.

На основании проведенного анализа применения сфокусированных пучков заряженных частиц в литографических технологиях высокого разрешения показано преимущество протонных пучков МэВ-ных энергий, которые позволяют создавать трехмерные микро- и наноструктуры с высоким качеством боковых поверхностей.

Установлено, что в качестве фокусирующих элементов в зондовых системах на данный момент наиболее приемлемыми являются МКЛ, на основе которых создаются различные конфигурации ЗФС.

Показано, что современные пути усовершенствования ЗФС на базе мультиплетов МКЛ основаны на увеличении количества линз и вариации геометрических параметров при неизменном количестве источников питания линз равном двум.

Показано, что одним из главных направлений усовершенствования ЯСМЗ является повышение плотности тока и уменьшение размеров сфокусированного пучка протонов до уровня <10 нм, что связано с новыми исследованиями систем формирования прецизионных пучков протонов МэВ-ных энергий.

Определена перспективность создания ЗФС с малым рабочим расстоянием, которые имеют большие значения коэффициентов уменьшения при допустимых аберрациях.

Анализ литературных источников показал, что в данной области существует много нерешенных задач, которые позволяют ускорить процесс фабрикации малоразмерных структур. Поэтому исследования новых ЗФС со свободными параметрами фокусирующих полей, направленных на повышение плотности тока сфокусированного пучка, являются актуальными.

Заключение

На основании проведенных исследований разработана общая концепция анализа электромагнитных явлений в малоразмерных металлодиэлектрических системах и лазерах на свободных электронах, которая заключается в следующем:

1. Экспериментальном и численном моделировании волновых процессов в периодических металлодиэлектрических структурах различных модификаций.

2. Проведении анализа работы двухпотоковых активных ЛСЭ-клистронов, как нового класса электронных устройств, предназначенных для формирования фемтосекундных кластеров электромагнитного поля.

3. Определении оптимальных вариантов реализации исследованных устройств для целей усиления и генерирования электромагнитных волн миллиметрового-инфракрсного диапазонов.

Литература

1. Аномальное дифракционное излучение в планарной резонансной структуре с металлодиэлектрической решеткой / Г. С. Воробьев, М. В. Петровский, А. И. Цвык [и др.] // Вісник Сумського державного університету. - 2005. - №4(76). - С. 159-173. - (Серія «Фізика, математика, механіка»).

2. Нанашева Е.А. Керамические материалы для СВЧ-электроники / Е.А. Нанашева, О.Н. Трубицина, Н.Ф. Картенко, О.А. Усов // Физика твердого тела. - 1999. - Т. 41. Вып. 5. - С. 882 - 884.

3. Vorobyov G. S. Scattering of electron stream waves on metal-dielectric periodic structures.

4. Harman W.A. Design of PPM focused high efficiency space TWTs at millimeter wavelength / W.A. Harman, J.B. Kennedy, I. Tammaru // International Electron Devices Meeting. Technical Digest. - 1976. - Vol. 22. - P. 377-380.

5. Multibeam gun forming curvelinear electron beams of large compression / A.V. Galdetskiy, I.I. Golenitskij, N.G. Dukhina [et. al.] L.A. Saprynskaja// Microwave and Telecommunication Technology: 17th International Crimean Conference “CriMiCo'2007”, Sept. 10-14, 2007.: proceedings. - Sevastopol, 2007. - P. 133-134.

6. Сазонов Б.В. Многолучевые многорежимные «прозрачные» ЛБВ и усилительные цепочки на их основе / Б.В. Сазонов, А.С. Победоносцев // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. - 2003. - № 2. - С. 5-8.

7. Numerical field calculation for charged particle optics / E. Kasper // Advances in imaging and electron physics. Vol. 116 / edited by P.W. Hawkes. - Academic Press, 2001. - 451 p.

8. Breese M.B. Materials Analysis using a Nuclear Microprobe. / M.B. Breese, D.N. Jamieson, P.J. King - John Wiley and Sons Inc., New York, 1996. - 428 р.

Размещено на Allbest.ru