Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития, ниучного приборостроения в области вакуумной электронной техники отмечен значительными достижениями, которых удалось достигнуть в результате многолетних исследований явлений нолевой электронной и ионной эмиссии с поверхности конденсированного вещества.
Явление полевой эмиссии заряженных частиц нашло широкое применение в различных областях науки и техники, в которых для решения актуальных научных и технологических задач используются приборы и установки, позволяющие создавать на облучаемой поверхности образца (объекта) микронные (субмикронные) электронные и ионные зонды, плотность мощности которых (Р) на облучаемой поверхности, обычно, не превышает 10 Вт/см . К числу таких приложений, как
известно, относятся: электронная микроскопия высокого и сверхвысокого разрешения, электронная и ионная литография [1,2].
Наряду с отмеченными "маломощными" приложениями, полевые эмиттеры, благодаря своей высокой яркости, потенциально являются перспективными источниками заряженных частиц для приборов и установок, предназначенных для реализации таких современных научно-технических проектов, как, например: бсзрезистивпая злекіроіпіая и ионная литография, рентгеновская литография, получение новых структур и материалов (включая, аморфные), масс-спектромегрия сложных органических и биооргапическнх соединений а также генерация в лабораторных условиях сгустков плотной, высокотемпературной, водородной плазмы с целью исследования и моделирования процессов при термоядерном синтезе.
Для успешного осуществления указанных проектов поток заряженных частиц на облучаемой поверхности вещества должен обладать сравнительно высоким уровнем плотности мощности (порядка 10 Вт/см н выше). Последнее условие практически означает, что полевой эмиттер должен стабильно функционировать в сильном электрическом поле (F>0,45B/A), обеспечивающем эмиссию высоких плотностей тока заряженных частиц, т.е. j> (I05-106) А/см2.
Однако, на момент начала исследований (1978г.), физический механизм эмиссионных и термополевых процессов, активируемых воздействием сильных электрических полей на поверхность полевого эмиттера вакуумного днода, оставался изученным в недостаточной мере.
Как известно, при высоких j процесс термополевой эмиссии с поверхности острнйных мнкрокристаллов (МК) металлов становится нестационарным и заканчивается фазовым переходом конденсированного вещества.МК в плотную плазму ("катодный факел"). Взаимодействие
интенсивного потока электронов, эмиттируемых с поверхности расширяющейся плазмы катодного факела, с веществом анода, при определенных условиях, приводит к генерации сгустка шинной плазмы на аноде ("анодный факел") и вакуумному пробою [3]. Однако многие яспекты этого явления, развивающегося в условиях взанмодеіістішя концентрированных (Р > (106 - 107)Вт/ем2) потоков энергии с конденсированным веществом электродов диода, оставались не ясными. В частности, отсутствовали адекватные представления о механизме термополевых процессов, приводящих к нестационарное пі тока эмиссии с поверхности МК металлов в сильных электрических полях (F >0,45В/А), а также процессов, вызывающих генерацию сгустков плазмы катодного и анодного факелов [4].
Кроме того, как показали проведенные ранее исследования [5,6], эффективными полевыми электронными источниками высокой яркости являются не только МК металлов, но также и острнйные эмиттеры, изготовленные из широкозонных полупроводников и диэлектриков. Плотность тока электронной эмиссии с поверхности таких эмиттеров может достигать значений, близких к так называемым предельным значениям (ji) дли металлических МК (іі=107А/см2), но эти уникальные экспериментальные результаты не получили корректного теоретического обоснования.
К перечисленным выше проблемам из области физики термополсимх олений, которые на момент начала исследований не имели адекватной интерпретации, следует добавить также, что существовавшие представления о механизме ионной эмиссии с поверхности жидких металлов [7] весьма плохо согласовывались с экспериментальными данными [8].
Исходя из вышеизложенною, состояние исследований проблемы взаимодействия сильных электрических полей и концентрированных потоков энергии с конденсированным веществом не может быть признано удовлетворительным как в научном, так и в прикладном аспектах. Отсюда следует актуальность проведения исследований по данной проблеме.
Цель настоящей работы заключалась в экспериментальном и теоретическом исследовании физических механизмов эмиссионных и термополевых процессов, активируемых воздействием сильных электрических полей и концентрированных потоков энергии на конденсированное вещество.
В рамках сформулированной общей цели работы проводились исследования следующего ряда конкретных физических явлений и научно --технических задач.
1.Экспериментальное и теоретическое исследование механизма термополевых процессов, приводящих к развитию неустойчивости электронной эмиссии с поверхности тугоатавкнх МК металлов в сильных
электрических полях (F > 0,45 В/Л) и к фазовому переходу конденсированного вещества МК п плотную плазму.
2.Теоретическое исследование взаимодействия электронного потока с высокой плотностью мощности (Р > (106-107)Вт/см2) с поверхностью металла с целью выяснения механизма формирования плазмы пнодного факела в условиях развития вакуумного пробоя.
3.Создание феноченологическоП модели термополевых процессов, приводящих к инициированию и развитию вакуумного пробоя.
4.Экспериментальное и теоретическое исследование механизма электронное! эмиссии, активируемое! воздействие*!- сильного электрического поля на поверхность острнйных МК широкозоннмх полупроводников с малой концентрацией свободных носителей.
5.Теоретическое исследование механизма ионной эмиссии с поверхности жидких металлов в сильных электрических полях и создание модели функционирования жндкометаллического ионного источника (ЖМИИ).
6.Разработка метода локализации термополевой эмиссии в малом телесном угле с целью создания точечного источника электронов с высокой яркостью и угловой интенсивностью эмиссии (до Ю10 А/см2 ери 10" А/ср , соответственно) для электрошю-зондовых приборов !! установок с высоким уровнем плотности мощности ( Р >)06 Вт/см2) микронного (субмнкронного) зонда на поверхности облучаемого образца.
Научная новизна работы заключается в следующем.
J.B результате проведенных экспериментальных И теоретических исследований установлено, что неустойчивость тока электронной эмиссии с поверхности острнйных МК тугоплавких металлов (с характерным радиусом вершины 0,1 мкм < г, < 0,5мкм ) в сильных электрических полях F > 0.45В/А развивается вследствие активации в этих условиях вторичных термополевых процессов:
а) испарения собственных атомов с эмнттирушей поверхности МК, б) полевой и ударной ионизации испаряющихся атомов и в) взаимодействия образующихся ионов с эмигтируюшей поверхностью МК. Развитие указанных процессов но времени приводит к фазовому переходу конденсированного вещества МК в плотную плазму - плазму катодного факела.
2.Проведено теоретическое исследование взаимодействия интенсивного потока электронов, эмиттируемых с Поверхности расширяющейся плазмы катодного факела, с поверхностью металлического анода диода и показано, что, если плотность мощности потока электронов на поверхности металла превышает характерное для данного вещества порогопое значение (Р| > 107Вт/см2), то в этих условиях имеет место возбуждение процесса лавинообразной сублимации атомов поверхностного слоя металла - аномальной десорбции. Ионизация
десорбирующихся атомов приводит к формированию плотной плазмы анодного факела.
З.На основании развитых новых представлений о механизмах формирования плазмы катодного и анодного факелов построена модель взаимосвязанных термополевых процессов, приводящих к инициированию и развитию вакуумного пробоя. Получен критерии возбуждения вакуумного пробоя.
4.Проведено экспериментальное исследование явления электронной эмиссии с поверхности острийного МК широкоэонного полупроводника (CdS) под воздействием сильного электрического поля. Обнаружены новые закономерности этого явления, которые позволили выяснить физический механизм эмиссий с поверхности таких эмиттеров. Однозначно показано, что на участках квазинасыщения и последующего резхого роста тока вольтамлерной характеристики (ВАХ) основной вклад в эмиссионный поток вносят горячие электроны, выходящие в вакуум по надбарьерному механизму.
5.Построена модель термополевых процессов при функционировании ЖМИИ. Показано, что основным механизмом образования ионов в ЖМИИ (при полном токе ионной эмиссии I, < 10" А) является циклический Процесс полевой ионизации свободных нейтральных атомов жидкого металла, десорбирующихся с поверхности металла под воздействием интенсивного обратного потока электронов, возникающих вследствие полевой ионизации нейтралей.
б.Предложен и осуществлен новый метод локализации термополевой эмиссии в малих телесных углах (< 0,01ср) - метод двойной локализации.
Научна» и прыктическая ценность работы. Проведенные исследования позволили существенно уточнить и значительно расширить имеющиеся знания и представления о природе термополевых процессов, активируемых воздействием сильных электрических полей и концентрированных потоков энергии на конденсированное вещество. Полученные новые знания целесообразно использовать в микроэлектронике при разработке электронно - и ионно - оптических систем установок безрезнстивной электронной и ионной литографии, рентгеновской литографии, в технологических установках по прецизионной резке, сварке и скрайбированню различных Материалов микронным (субмикронным) электронным пучком с высокой плотностью мощности; в масс-спектрометрий с целью осуществления "мягкой" ионизационной десорбции с поверхности различных матриц нефрагментнрованныд молекул сложных органических и биоорганических соединений; при разработке высоковольтных вакуумных приборов различного назначения а также в установках по моделированию и исследованию У ТС. Разработанный в работе и апробированный точечный термополевой Zr/W<100> катод с уникальными электронно-оптическими хараюернстиками по яркости и угловой интенсивности эмиссии может быть непосредственно использован при создании перечисленных выше
установок и приборов вакуумной микроэлектроники также Оже энергоанализаторах следующего поколения. Кроме указанных приложений полученные в работе новые данные по механизму эмиссии с поверхности широкозонных полупроводников могут быть применены для создания низковольтных точечных катодов- эмиттеров, нового типа в современных устройствах визуального отображения информации дисплеях.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, были представлены и обсуждались на всесоюзных, Российских и международных конференциях и симпозиумах. На конференциях по эмиссионной электронике: XVII (Ленинград, 1978), XIX (Ташкент, 1984), XX (Киев, 1987), XXI (Ленинград, 1991), XXII (Москва, 1994);на симпозиумах по сильноточной электронике: III (Томск, 1978), V (Томск, 1984); на симпозиумах по некакалнваемым катодам: I (Томск, 1980), V (Томск, 1985); на 13-ой конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1987); на симпозиумах по разрядам и электрической изоляции в вакууме; XI (Берлин, 1984), XIV (Сайта Фе, США, 1990), XV (Цармштадт, Германия, 1992); на конференциях По вакуумной микроэлектронике: 2-ой (Бат, Англия, 1989), 5-ой (Вена, Австрия, 1992), б-ой (Нмопорт, США, 1993); на симпозиумах по полевой эмиссии: 34-ом (Осака,Япония,1987), 36-ом (ОксфордАнглия, 1989), 37-ом (Альбукерк, США.1990), 38-ом (Вена,Австрия,1991), 39-ом (Галифакс, Канада,1992), 40-ом (Нагоя, Япония, 1993), 43-ем(Москва,Россия,1996); на 10-ой конференции по ионному анализу (Эйндховен, Голландия, 1991); на 5-ой конференции по HOHitttM источникам (Пекин, Китай, 1993).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 печатных работ. Список из 34 печатных работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведен в конце автореферат.
Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором, начиная с ШВг.Более половины работ, в которых получены и изложены основные результаты N выводы по теме диссертации, выполнены без соавторов, В совместных с соавторами работах вклад автора является, по метшей мере, равным во всех аспектах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит id введения, четырех глав и заключения; содержит 345 страниц, включая 3 таблицы, 85 рисунков и список цитируемой литературы из 227 наименований.
