Файл: Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом.pdf

ных частиц, обнаруживаются испаренные и диффузионные ионы из числа атомов, адсорбированных на поверхности и внедривших­ ся в глубь мишени из первичного пучка, которые испаряются с поверхности мишени в виде ионов в результате поверхностной ионизации. Установлено [43, 44], что эти ионы по существу не яв­ ляются вторичными рассеянными ионами, но тем не менее фик­ сируются электрометрическими усилителями как вторичные рас­ сеянные частицы, что значительно повышает значение коэффициен­ та рассеянных ионов.

Кроме того, в ряде случаев поддержание температуры мишени во время измерений при ~ 1500°К еще недостаточно для чистоты ее поверхности даже если мишень до измерения подвергалась теп­ ловой обработке при значительно высокой температуре (^2500°К).

При температуре >1500°К, как всегда, появляются настолько силь­ ные собственные термоэлектронные и ионные эмиссии, что измере­ ние вторичных рассеянных ионов становится весьма трудным. Это затруднение, обусловленное в основном инерционностью электро­ метрических усилителей (гальванометрической методики), являет­ ся главным препятствием в изучении быстропротекающих процес­ сов, происходящих при бомбардировке твердых тел атомными час­ тицами.

Поэтому мы изучали угловую зависимость коэффициента ион­ но-ионной эмиссии и его компонентов безынерционным осциллографическим методом двойной модуляции [46], позволившим производить измерения в кратчайшее время и отделять истинно «вторичные» рассеянные ионы, отлетающие от мишени вследствие удара первичного иона, от ионов, выбрасываемых с поверхности мишени тепловым движением атомов.

Для исследования углового энергетического и пространственно­ го распределений мы разработали безынерционный осциллографический метод с использованием электростатических анализато­ ров скоростей типа Юза — Рожанского [306] с высокой разре­ шающей способностью. Этот метод позволил следить за измене­ нием энергетического распределения вторичных ионов в зависи­ мости от энергии и угла падения первичных и вылета вторичных ионов в динамике процесса при одних и тех же условиях (более чистых) поверхности мишени.

Ниже кратко опишем метод двойной модуляции с, помощью принципиальной электрической схемы, представленной на рис. 4.

Пучок положительных ионов из ионного источника 1 в поле сферического конденсатора сепарируется от нейтральных атомов и молекул и модулируется по интенсивности генератором прямо­ угольных импульсов 6 с частотой 500—-1000 гц (первая модуля­ ция). Затем ионный пучок проходит систему электростатических линз 9, где он дополнительно ускоряется и фокусируется. Сфор­ мированный таким образом и модулированный в виде прямоуголь­

30

1 — 1,5 мм) из монокристалла Мо или W. Мишень окружена кол­ лектором 3, имеющим сферическую форму, который, в свою оче­ редь, для защиты от паразитных токов находится в охранном ци­ линдре 5.

Между мишенью и коллекторам вторичных частиц приклады­ вается переменное напряжение, создаваемое генератором пилооб­ разных импульсов 7 с частотой 25 гц (вторая модуляция). Цепь коллектора соединена с вертикальным усилителем осциллографа 8, горизонтальная развертка которого синхронизирована генерато-

Рис. 4.

ром пилообразных импульсов. Очевидно, что каждый кратковре­ менный импульс первичного ионного тока дает импульс вторично­ го тока различной величины и направления (ионного или электрон­ ного) в зависимости от того, при какой величине и знаке напря­ жения между мишеныо и коллектором он достигает коллектора. Эти направления отмечаются вертикальным отклонением луча осциллографа, присоединенного к цепи коллектора. Так как часто­ та импульсов первичного ионного тока обычно выбирается намно­ го больше частоты пилообразных импульсов, то за время измене­ ния напряжения между мишеныо и коллектором, или, что то же самое, за время одной развертки мы будем иметь множество та­ ких импульсов на экране осциллографа (рис. 5а). Огибающая вершин этих импульсов представляет собой зависимость вторичных токов от напряжения между мишенью и коллектором. Горизон­ тальные прямые линии соответствующие положению луча осцил­ лографа в момент отсутствия импульса первичного ионного тока на мишень, отмечают нулевую линию, отделяющую значения вто­ ричных ионных от вторичных электронных токов. В результате такой работы электрической схемы на экране осциллографа автоматически воспроизводится неподвижная вольтамперная ха­ рактеристика вторичных токов.

31

Прибор с вращающимся зондом и цилиндром Фарадея

Исследования углового распределения вторичных номов проводились методом двойной модуляции с помощью прибора, электрическая схема которого изображена на рис. 6. Приемная часть прибора состояла из мишени 1 и измерительного цилиндра 2 (коллектора), имеющего отверстия для входа пучка первичных ионов. Мишень размером 20X6X0,02 мм3 крепилась на молибде­ новых вводах с помощью специального устройства, которое позво­ ляло изменять положение мишени относительно направления па­ дения пучка первичных ионов и слегка растягивать для выравни­

вания. Для устранения паразитных токов вся система была окру­ жена охранным цилиндром 3 с щелыо против щели на коллекторе для входа пучка первичных ионов.

Между мишенью и коллектором на расстоянии — 1 мм от внутренней стенки коллектора помещался подвижный зонд 4 с щелыо 1,5X10 мм2, который позволял измерять интенсивность тока вторичных ионов, идущих от мишени под разными углами вылета при фиксированном угле падения первичных ионов на ми­ шень. Внутренняя стенка зонда была покрыта сажей, что умень­ шало обратный поток ионов. Зонд 4 вращался с помощью внешнего магнита на 180° в ту или другую сторону от щели коллектора, пред­

зонд 4, ось вращения, на которой укреплен зонд, снабжена стрел­ кой, указывающей на неподвижной шкале положение зонда отно­

главы. Изменения ориентации мишени относительно направления пучка первичных ионов и подвижного зонда относительно поверх­ ности мишени целиком осуществлялись извне с помощью маг­ нитов.

Измерения, как упомянуто выше, проводились методом двой­ ной модуляции. Осциллографы 5 и 6 служили для наблюдения вольтамперных характеристик вторичных токов в цепи коллекто­ ра 2 и подвижного зонда 4 соответственно. Ток в цепи подвижного зонда на два-три порядка меньше, чем ток в цепи коллектора, поэтому для надежного измерения значения тока вторичных ионов, попадающих на подвижный зонд, к окспллографу 6 дополнитель­ но подключен предусилитель, который усиливал сигнал с подвиж­ ного зонда на два-три порядка.

Переключатели в цепях '.мишени, коллектора и подвижного зонда позволяли измерять нх токи по отдельности и суммарный первичный ток. Назначение различных деталей ясно из самой элек­ трической схемы прибора и аналогично описанным в предыдущем параграфе.

Таким образом, усовершенствование экспериментального при­ бора вводом в приемную часть еще одного дополнительного электрода—подвижного зонда и заменой жестко закрепленной ми­ шени подвижной дало возможность одновременно исследовать рас­ пределение интенсивности вторичных ионов по углам и угловую зависимость коэффициента вторичной ионной эмиссии и его ком­ понентов.

Разработанный метод имеет еще ряд преимуществ. Во-первых, ввод подвижного зонда позволяет очень точно

контролировать возможный (особенно при больших углах падения (Ф > 80°) первичного пучка на мишень) облет мишени пучком

первичных ионов. При перемещении подвижного зонда за мишень в случае облета в цепи последнего наблюдаются импульсы пер­ вичных ионов, хорошо отличимые от импульсов вторичных токов по характеру распределения по энергиям. Добиваясь хорошей юстировки первичного пучка на поверхность мишени, можно избе­ жать облета при угле 85° и при малых углах исследовать все угловые характеристики вторичной ионной эмиссии.

Во-вторых, данный способ измерения интенсивности вторичных ионов, вылетающих под разными углами, обеспечивает более надежное (истинное) распределение их по углам. Последнее свя­

потенциалом, что и коллектор, и не искажает истинного направле­ ния вторичных ионов.

В-третьих, благодаря своей безынерционное™ этот метод дает возможность снимать отдельные точки на полярных диаграммах, характеризующих угловое распределение вторичных ионов, за та­ кое короткое время, когда можно считать, что поверхность мише­ ни, накаленной перед измерением до высокой температуры

34

(2500°К), атомарно чистая. Кроме того, с помощью данного мето­ да в отличие от электростатического, можно исследовать угловое распределение рассеянных ионов при температуре мишени < 1500°.

Для изучения углового распределения вторичных ионов при бомбардировке мопокрнсталлических мишеней' ионами целесообраз­ но применять электростатический метод, так как он имеет наиболее

высокую чувствительность по току, необходимую для обнаруже­ ния эффектов, обусловленных упорядоченной структурой кристал­ ла. С этой целью нами был сконструирован и изготовлен второй тип прибора для исследования углового распределения вторичных ионов с помощью вращающегося цилиндра Фарадея (рис. 7).

Данный прибор, как и предыдущий, состоял из следующих ос­

мишени 6 с магнитными вращательными устройствами 8 и 9, при­ емной части — коллектора 4 с антидинатронной сеткой и подвиж­ ного вращающегося цилиндра Фарадея 7, который подключался к электрометрическому усилителю чувствительностью до МО-13 А. Цилиндр Фарадея, как обычно, на входе имел ряд диафрагм и сетку прозрачностью —90%. Диафрагмы служили для уменьше-

35

ионио-понной эмиссии она выполняла функцию разделения рас­ сеянных (быстрых) ионов от испаренных и диффузионных (мед­ ленных) ионов, когда бомбардировались кристаллические образ­ цы, накаленные до порога температур термоэлектронной эмиссии. За цилиндром Фарадея установлен маленький коллектор с охран­ ным цилиндром (на рис. 7 он не показан), служивший ловушкой для вторичных ионов, вылетающих из незафиксированных цилинд­ ром Фарадея участков разреза коллектора. Маленький коллектор в свою очередь соединен с основным коллектором 4 и позволяет контролировать постоянство первичного (суммарного) пучка ионов.

Угловые разрешения первого экспериментального прибора (углы сходимости пучка на поверхности мишени и расходимости Еторичных частиц на входе подвижного зонда) для пучка первич­ ных ионов составили"- 1,5°, а для вторичных ионов ~ 1°. Плохое угловое разрешение прибора для вторичных частиц (ионов) свя­ зано с шириной' входной щели подвижного зонда, равной ~ 1,5 мм. Уменьшив ширину входной щели подвижного зонда, можно достичь хорошего углового разрешения прибора и для вторичных ионов. Высокие угловые разрешения для вторичных ионов достигались нами с помощью экспериментальных приборов, в которых в каче­ стве детектора вторичных ионов, идущих под разными углами вы­ лета 0, использовались цилиндры Фарадея с входной щелыо раз­ мерами 1X12 и 0,5X12 мм (рис. 7). Расчеты показали, что угло­ вые разрешения для вторичных ионов составляют — 0,5°.

Измерения проводились следующим образом: каждая точка на полярной диаграмме, характеризующей угловое распределение вторичных ионов, снималась не менее пяти раз, а затем нахо­ дились относительные, средние и среднеквадратичные ошибки, допускаемые при измерениях. Средняя допустимая ошибка срав­ нивалась с темп сигналами (в случае монокристаллической мише­ ни тонкими структурами), которые наблюдаются на фоне поляр­ ной диаграммы углового распределения вторичных ионов.

В последние годы процесс снятия углового распределения нами

подавался на потенциометр ЭПП-0,9, что увеличивало точность измерений.

Экспериментальный прибор с энергоанализатором и подвижным источником ионов

Прибор, сконструированный нами для исследования уг­ ловых зависимостей энергетических и пространственных распреде­ лений вторичных заряженных частиц, рассеянных твердым телом

36