CC BY
9ISSN G868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2GG4, том 14, № 4, с. 3-9
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 537.533+ 621.3.038.612
© В. Э. Птицын, Б. В. Бардин, Н. А. Волкова,
В. А. Демидов, А. Г. Монаков
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ ТЕРМОПОЛЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ
Приведено описание системы автоматизации исследований эмиссионных свойств термополевых источников электронов. Апробация разработанной системы на 2г0/'-гетероструктурах показала, что система автоматизации полностью отвечает заданным техническим требованиям. Использование системы автоматизации для исследований эмиссионных свойств ЕЮ/'-гетероструктур позволило впервые экспериментально показать, что при определенных условиях с поверхности таких структур возможна стабильная термополевая эмиссия потока электронов, обладающего сверхвысокой приведенной яркостью.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в качестве источника электронов в приборах растровой электронной микроскопии, а также в установках электронной литографии широко используются так называемые Шоттки- ^сЬойку) катоды на основе 2г0/'-гетероструктур. Шоттки-катод представляет собой '-иглу, на вершине которой методом эпитаксии сформирован примерно моноатомный слой 2г0. Линейные размеры вершины Шоттки-катода (иглы) обычно составляют — (0.5—1.0) мкм. Рабочая температура Т поверхности Шоттки-катода составляет — 1800 К, а напряженность поля Е8 на эмиттирующей поверхности находится в пределах от — 0.1 В/нм до — 0.8 В/нм. Процесс эмиссии с поверхности Шоттки-катода отличается высокой стабильностью. Время жизни таких катодов в непрерывном режиме эмиссии составляет —2000 (и более) часов. Приведенная яркость электронных пучков в, формируемых электронно-оптическими системами (ЭОС) с Шоттки-катодом, достигает
— 104 А/(см2хр^В) [1]. Указанные значения приведенной яркости электронного пучка в настоящее время принято считать максимальными.
Однако для решения ряда современных проблем науки и технологии необходимо использовать электронные пучки, у которых в составляет
— (105-106) А/(см2хр^В). Среди проблем, требующих для своего решения электронных пучков со сверхвысокими значениями в, в частности, можно отметить следующие.
1. Разработка и создание установок электронной литографии, позволяющих осуществлять непосредственное (безрезистивное, или "сухое") глубокое травление и модификацию поверхности полупроводников и металлов в результате процес-
са электронной абляции. Такой механизм [2] травления и модификации поверхности конденсированных сред электронным пучком представляет значительный интерес для решения современных задач микромеханики и микроэлектромеханики по созданию 2Б и 3Б микро- и наноструктур сложных конфигураций [3].
2. Создание мощных "точечных" источников рентгеновского излучения и лазеров на свободных электронах [4].
3. Инжекция ядерного топлива в плазменные установки по моделированию процессов УТС [5] методом воздействия на дейтерий—тритиевые капсулы электронных пучков со сверхвысокими уровнями в.
4. Формирование кристаллических наноструктур на поверхности конденсированных сред под действием электронных пучков с высокими уровнями плотности мощности и приведенной яркости [6].
Так как для ЭОС с Шоттки-катодом значение
— 104 А/(см2хр^В) является предельным, то единственная [7] возможность значительного повышения в пучка заключается в использовании в качестве электронного источника ЭОС катода с более высокой эмиссионной способностью.
Решение этого вопроса на первый взгляд представляется очевидным и заключается в том, чтобы (ничего не меняя в ЭОС с Шоттки-катодом) "просто" повысить потенциал экстракции Уе. Повышение потенциала V приведет к росту Ек и соответственно вызовет переход эмиссионного процесса в режим термополевой эмиссии (ТБЕ), в котором, как известно, плотность тока эмиссии достигает значений — (106-107) А/см2. При таких уровнях плотности тока эмиссии формирование электронного пучка с необходимыми уровнями
З
в (~ (105-106) А/(см2хр^В)) является вполне осуществимой технической задачей.
Однако вышеуказанными действиями желаемого результата достичь не удается. Это объясняется тем, что в режиме ТБЕ вследствие активации процесса поверхностной самодиффузии структура и топология поверхности вершины острийного эмиттера электронов (термополевого источника) становятся нестабильными [8]. В связи с эволюцией формы и структуры эмиттирующей поверхности при фиксированных значениях Уе и Т ток эмиссии становится неустойчивым. В зависимости от физических условий (работы выхода гетероструктуры ф, Уе и Т) инкремент нарастания неустойчивости (при больших плотностях тока эмиссии) может изменяться в достаточно широком диапазоне абсолютных значений (от ~ 1 нс до ~ 103 с).
Указанные особенности процесса ТБЕ существенно затрудняют проведение исследований этого явления традиционными (для электронной микроскопии) методами, когда процесс измерения и регистрации данных обычно занимает несколько минут.
Как представляется, именно эффект нестацио-нарности процесса ТБЕ привел к такому по ложе -нию, что проблема получения электронных пучков со сверхвысокой приведенной яркостью до сих пор остается нерешенной.
Принимая во внимание все вышеизложенное, целью настоящей работы ставилось устранить неизбежные и весьма значительные погрешности, которыми отягчен традиционный метод исследований
явления ТБЕ (вследствие изменения состояния объекта исследований за время измерений). Для решения указанной задачи была разработана система автоматизации измерений основных эмиссионных параметров и характеристик процесса ТБЕ.
1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ ТЕРМОПОЛЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ
Система автоматизации (СА) предназначена для проведения измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ) и параметров временной стабильности термополевых источников электронов (ТИЭ) в различных физических условиях и записи полученной информации в память компьютера.
1.1 Состав системы автоматизации
Функциональная схема СА приведена на рис. 1. В состав СА входят: высоковольтный источник напряжения (ВВИН) типа HW30, источник питания (ИП), блок управления (БУ), компьютер.
Напряжение 1.5-30 кВ подается на анод вакуумного диода с выхода ВВИН. Величина этого напряжения пропорциональна управляющему напряжению на входе ВВИН, которое должно быть в пределах от 0 В до 10 В. Кроме того, ВВИН имеет выход монитора напряжения (МН), на котором формируется напряжение в диапазоне от 0 В до 10 В, пропорциональное напряжению на аноде вакуумной камеры. Данный выход предназначен для контроля за работой ВВИН.
Рис. 1. Блок-схема системы автоматизации
Рис. 2. Временная диаграмма напряжения на аноде при регистрации ВАХ
Для измерения тока эмиссии используется резистор Rh, на котором создается падение напряжения, пропорциональное этому току. Иапряже-ние первичного питания ВВИИ +24 В поступает с ИП.
В состав БУ входят: процессор, управляющий работой остальных узлов БУ, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с коммутатором напряжения (КИ) на входе. БУ связан с управляющим компьютером при помощи интерфейсного канала RS232 через СОМ-порт компьютера.
ЦАП формирует управляющее напряжение ВВИИ в диапазоне от 0 до 10 В.
АЦП через КИ производит измерение эмиссионного тока (напряжение на Rh) или напряжения на выходе МИ ВВИИ.
Программное обеспечение (ПО) СА включает исполняемый файл Cathode.exe и два файла конфигурации — SysPar.cnf и ParRegVAF.cnf. ПО работает в среде ОС Windows 95 или Windows 9S и легко может быть адаптировано в среду OC Windows XP.
1.2. Описание работы системы автоматизации
В процессе регистрации ВАХ по программе Cathode последовательно задаются напряжения u1, u2, u3, ..., un на аноде вакуумного диода. При этом с целью сглаживания переходных процессов переход к очередному значению напряжения выполняется не скачком, а плавно — небольшими шагами (ступеньки на рис. 2).
После установки очередного напряжения производится измерение тока эмиссии в течение времени tH. При этом для снижения влияния шумов и помех производится фильтрация измеренной информации. Для этого выполняется многократный запуск АЦП (до 4000 раз). С целью устранения влияния импульсных помех, которые могут проявляться в форме скачков от среднего значе-
ния, половина полученных значений отбраковывается: 25 % максимальных и 25 % минимальных значений отбрасываются из полученного набора значений. Это осуществляется с использованием операции сортировки данных. Оставшаяся половина значений усредняется. Промежуток времени ^ определяется "окном" фильтра — числом запусков АЦП и периодом запуска процессора, который в свою очередь запускает АЦП. Период запуска устанавливается оператором и не может быть меньше 2 мс.
По истечении времени ^ производится переход к следующему значению напряжения. После прохождения всех заданных точек ВАХ осуществляется плавный возврат выходного напряжения ВВИН к исходному значению.
Исследование временной стабильности тока эмиттера производится при постоянном напряжении на аноде вакуумного диода. В этом случае выполняется плавная установка экстрагирующего напряжения, после чего производится периодическое измерение тока с заданным периодом. Соответствующими установками необходимо обеспечить, чтобы время измерения ^ не превышало периода измерения.
Так как продолжительность данного эксперимента не ограничивается, то с целью предотвращения переполнения памяти компьютера, а также с целью снижения ущерба при возникновении аварийной ситуации (например, пропадании напряжения питания) периодически производится автоматическое сохранение данных эксперимента в файле "BuffFunc.dat" на жестком диске.
При тестировании аппаратуры и в отладочных экспериментах может потребоваться контроль выходного напряжения ВВИН. С этой целью могут быть проведены эксперименты, аналогичные вышеописанным. Однако в этом случае измеряемым сигналом является напряжение на выходе МН, а не ток через резистор Ии.
Файл Вид Система Помощь
у
!И[
Т екущее заданное напряжение |~
N Напряжение (В) | Ток (мкА] | А1
92 19200.00 960.00
ЭЗ 19400.00 970.00
94 19600.00 980.00
95 19800.00 980.00
96 20000.00 1000.00
97 20200.00 1010.00
98 20400.00 1020.00
99 20800.00 1030.00
100 20800.00 1040.00 (
101 21000.00 1050.00 —\
Искодные данные регистрации
Начальное напряжение [В]
|1000.00
Конечное напряжение ПвР™ отсчета Число шагов [В]
|Ї00 |21000.00
Описание документа:
Системные параметры
Канал регистрации тока
СОМ-порт
| СО М 2 |Токовый дисплей источника напряжения ^
Параметры аппаратных каналов
Канал задания напряжения Дисплей напряжения источника Дисплей тока источника Измеритель тока
Дискрет
10.000153
10.000153
10.000015
10.000015
Смещение нуля
В ■о. 000000 в
в 10.000000 в
мкА 10.000000 мкА
мкА 10.000000 мкА
Характеристики максимальной скорости нарастания напряжения источника Шаг по напряжению 1100.01 В
Шаг по времени 1100.000 мс
F
|iooQ
Период запуска процессора Окно сглаживающего фильтра Период автосохранения данных регистрации в Файле |10.00
ПК I Caned |
1000
Рис. 3. Вид основной панели программы Cathode Рис. 4. Диалоговая панель "Системные пара-
метры"
При сохранении данных эксперимента на диске в процессе выполнения соответствующей опции автоматически создаются два файла: файл числовых результатов эксперимента с расширением ".dat" и текстовый файл условий проведения эксперимента и сопроводительной информации с расширением ".txt". Формат данных файла "*.dat" воспринимается большинством стандартных программ обработки данных, таких как Excel, Origin и др.
1.3. Конфигурирование системы автоматизации
Конфигурирование системы производится в пункте меню "Система/Системные параметры". При активизации этого пункта вызывается диалоговая панель "Системные параметры", приведенная на рис. 4. В окне "СОМ-порт" выбирается номер СОМ-порта компьютера — СОМ1 или СОМ2. Остальные параметры вводятся в соответствующих окнах редактирования.
Параметр "Дискрет" аппаратных каналов рассчитывается, исходя из диапазона задаваемой или измеряемой величины соответствующего канала, а также учитывая разрядность ЦАП или АЦП (см. рис. 1), которая в обоих случаях составляет 16 бит. Этот параметр имеет смысл масштабного коэффициента. По результатам калибровки каналов при помощи внешних приборов этот параметр может быть откорректирован с целью компенсации погрешностей аппаратуры. Если в результате калибровки будет выявлено наличие погрешности типа "смещение нуля", то это может быть отображено
в соответствующем окне редактирования (с целью последующего автоматического учета в процессе выполнения измерительных операций).
Параметры "Характеристики максимальной скорости нарастания напряжения источника" определяют скорость плавного изменения напряжения (см. рис. 2). Смысл остальных параметров понятен из описания в подразделе 1.2.
1.4. Перечень экспериментов, осуществляемых с помощью СА
В перечне основных экспериментов, обеспечиваемых системой автоматизации, следующие:
1) регистрация (ВАХ) вольт-амперной характеристики — зависимости тока эмиссии от задаваемого программой напряжения;
2) регистрация (и) зависимости напряжения на выходе ВВИН (см. рис. 1) от напряжения, задаваемого программой;
3) регистрация (і(0) зависимости тока эмиссии от времени;
4) регистрация (и(^) зависимости напряжения на выходе ВВИН от времени.
Исходные данные проведения эксперимента вводятся в соответствующие окна редактирования в нижней части основной панели "Исходные данные регистрации" (см. рис. 3). При регистрации "ВАХ" (эксперимент 1), а также при эксперименте 2 вводятся: начальное напряжение, шаг напряжения между точками ВАХ и число шагов. Конечное напряжение программа рассчитывает сама и отображает в соответствующем окне.
При исследовании временной стабильности (эксперименты 3 и 4) в окне "Начальное напряжение" вводится задаваемое напряжение — оно в данном случае является постоянным (единственным), а также вводится период отсчета временных процессов. Данные, введенные в других упомянутых выше окнах, не влияют на ход данного эксперимента.
В окне редактирования "Описание документа" может быть введен любой сопроводительный текст, который сохраняется в соответствующем файле "*.Ш" при выполнении команды сохранения документа.
Любой эксперимент запускается соответствующей кнопкой на панели инструментов основной панели (см. рис. 3).
В ходе эксперимента задаваемые и измеренные величины отображаются в окне-таблице в средней части панели (рис. 3). В окне "Текущее заданное напряжение" отображается значение напряжения также и во время его плавного изменения.
Сохранение результатов эксперимента в файле производится в пункте меню "Файл/Сохранить как..." с использованием стандартного для Windows-программ диалогового окна.
1.5. Средства тестирования системы автоматизации
Возможность проведения наладочных и проверочных экспериментов с использованием осциллографа обеспечивается в пункте меню "Система/Тесты", в котором вызывается окно команд, приведенное на рис. 5.
Кнопкой "Пуск ВАХ" запускается непрерывный цикл эксперимента 1, кнопкой "Пуск измер. Напр." — цикл эксперимента 2. Кнопка "Стоп" останавливает цикл. Выход из окна команд производится кнопкой "ОК".
Цикл выдачи команд в процессор
Пуск ВАХ I Пуск нзмер. Напр. І Стоп I
ОК
Рис. 5. Окно команд в режиме тестирования системы автоматизации
2. АПРОБАЦИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ZRO/W В УСЛОВИЯХ TFE
Для апробации СА на конкретном физическом объекте были выполнены эксперименты с 2г0^-гетероструктурами в форме острийных эмиттеров. Наряду с испытаниями и проверкой параметров СА ставилась также конкретная физическая задача исследования эмиссионных свойств указанной гетероструктуры в условиях TFE.
Прежде всего следует отметить, что разработанная система автоматизации продемонстрировала высокую работоспособность и в полной мере отвечала всем техническим требованиям.
Кроме того, использование разработанной СА для исследования эмиссионных свойств 2г0^-гетероструктур позволило получить оригинальные данные о физике эмиссионных процессов в условиях TFE. Некоторые из полученных результатов показаны на рис. 6 и 7.
Однозначно показано, что при высоких температурах ^ ~ 1500-1800 К в сильных электрических полях, соответствующих режиму TFE, структура и топология исследованной Zr0/W-гетероструктуры изменяется во времени, что отвечает представлениям, изложенным во Введении. Как легко видеть из рис. 6, при последовательном измерении ВАХ каждая последующая ВАХ располагается над предыдущей. Из этого факта, в частности, следует, что на вершине иглы формируется микрокристалл. Увеличение полного тока эмиссии происходит вследствие возрастания во времени фактора поля (на стыках плотноупакованных граней).
V, , В
Рис. 6. Вольт-амперные характеристики
2Ю^-гетероструктуры. Кривые 1, 2, 3 получены в результате трех последовательных (автоматизированных) процессов измерения ВАХ
Ie , мкА
t , с
Рис. 7. Зависимость тока эмиссии с поверхности Zr0/W-гетероструктуры от времени в условиях TFE для фиксированного значения потенциала экстракции. В моменты времени, отмеченные точками 1, 2, 3, 4 и 5, производились специальные направленные изменения ("вариации") исходных физических условий (7 и Es)
Анализ ВАХ (рис. 6) показал также, что результирующая ВАХ состоит из двух участков — начального участка, который описывается уравнением для Шоттки- (и Extended Schottky) эмиссии, и затем эмиссионный процесс переходит в режим TFE (второй участок), который вполне корректно описывается уравнением Мерфи—Гуда [8].
Результаты измерений зависимости полного тока эмиссии в условиях TFE от времени (для той же самой ZrO/W-гетероструктуры) показаны на рис. 7. Как видно из экспериментальной кривой (рис. 7), при фиксированном значении потенциала экстракции Ve ток эмиссии в общем случае является нестационарным. Однако при определенных физических условиях по истечении достаточно большого промежутка времени ( ~ 2 ч, точка 5) ток эмиссии становится стабильным (нестабильность тока меньше ~ 0.1 %). Отметим здесь, что, вообще говоря, при фиксированных значениях потенциала экстракции Ve и температуры Ts поверхность ZrO/W-гетероструктуры "сама по себе" не способна за конечное время самосогласованным образом перейти в состояние со стабильным током TFE. В связи с этим для того, чтобы процесс формовки устойчивой стабильной формы эмиттирующей поверхности занимал конечное время, необходимо варьировать физические условия на стадии формовки вершины эмиттера.
Изучение формы поверхности ZrO/W-микрокристалла в растровом электронном микроскопе, а также теоретический анализ показали, что стабильность тока эмиссии в режиме TFE имеет место только после того, как эмиттирующая поверхность трансформируется в поверхность с мини-
мальной свободной поверхностной энергией (для микрокристалла соответствующей сингонии).
Используя полученные данные (рис. 6 и 7), а также результаты электронно-микроскопического изучения микрогеометрии вершины ZrO/W-микрокристалла, были выполнены расчеты численного значения приведенной яркости в, которой обладает эмиттер в условиях TFE. По сравнению с Шоттки-катодом разработанный TFE-катод (или ТПИ) характеризуется сверхвысокой приведенной яркостью в ~ (5-6) 105 А/(см2-ср-В).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана, создана и апробирована система автоматизации исследований эмиссионных свойств термополевых источников электронов.
2. Изучение эмиссионных свойств ZrO/W-гетероструктур с помощью разработанной системы автоматизации позволило впервые показать, что:
• исследованные гетероструктуры обладают сверхвысокой приведенной яркостью в условиях TFE и
• высокая стабильность тока в режиме TFE достигается только тогда, когда эмитти-рующая поверхность является поверхностью с минимальной свободной поверхностной энергией для заданных физических условий (Ts, Es).
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 02-02-17268 а)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Fransen M.J., Overwijk Kruit P.
Brightness Measurments of a ZrO/W Schottky Emitter in a Transmission Electron Microscope // Applied Surface Science. 1999. V. 146. P. 357362.
2. Птицын В.Э. Феноменологическая модель начальной стадии развития процесса электронной абляции металлов // ДАН. 2003. Т. 32, № 5. С. 623-626.
3. Лучинин В. В. Микросистемная техника. Направления и тенденции развития // Научное приборостроение. 1999. Т. 9, № 1. С. 3-18.
4. Brau C.F. High-Brightness Electron Beams — Small Free-Electron Lasers // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 1998. V. 407. P.1-7.
5. Tsai C.C., Foster C.A., Milora S.L., Schech-ter D.E., and Whealton J.H. Electron-Beam Rocket Acceleration of Hydrogen Pellets // J. Vac. Sci. Technol., A. Jul./Aug., 1993. V. 11, N 4. P.1252-1257.
6. Klimenkov M., Matz W., Nepijko S.A., Lehman M. Crystallisation of Ge Nanoclusters in SiO2 Caused by Electron Irradiation in TEM // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B. 2001. V.179. P.209-214.
7. Силадьи М. Электронная и ионная оптика (пер. с англ.). М.: Мир, 1990. 640 c.
8. Ptitsin V.E. Non-Stationary Thermal Field Emission // Advances in Imaging and Electron Physics
/ Ed. P.W. Hawkes. Academic Press, 2000 V.112. P.1б5-231.
Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
Материал поступил в редакцию 15.10.2004.
AUTOMATION SYSTEM FOR THERMAL FIELD ELECTRON EMISSION STUDIES
V. E. Ptitsin, B. V. Bardin, N. A. Volkova, V. A. Demidov, A. G. Monakov
Institute for Analytical Instrumentation RAS, Saint-Petersburg
The paper presents a system for automation of thermal field electron source emission studies. The system tests on ZrO/W heterostructures have shown that the developed automation system completely meets the specified technical requirements. The experiments on studying the emission properties of ZrO/W heterostructures based on this automation system have for the first time demonstrated that at certain conditions these structures are capable of stable thermal field emission of ultrahigh brightness electron beams.
