190602. lajstromszámú szabadalom • Ionágyú berendezés szekunder ionemissziós tömegspektroszkóppiai vizsgálatokhoz
3 190602 4 A találmány tárgya berendezés ionok előállítására multimolekulasugaras gázbevezetéssel. Különböző típusú ionágyukat ma már széles körben alkalmaznak a félvezető ipar, és általában az alkalmazott felületfizika számos területén. Ezek az ionágyuk funkciójukat tekintve több célt szolgálhatnak. Például több felületanalizáló módszer (szekunder ionemissziós tömegspektrometria, Auger elektron spektroszkópia stb.) az ionágyuk segítségével megvalósított porlasztási folyamatok révén vált alkalmassá a mintáknak rétegről rétegre történő mélységi vizsgálatára. De ugyancsak ionágyukat használnak bizonyos esetekben mintafelületek tisztítására, továbbá egyes párologtatásos technikáknál és mintaszeletek vékonyítására is. Megjegyzendő, hogy a felsorolt technikák működésükhöz nagyvákuum feltételeket igényelnek. A mintafelületek tisztítására vagy porlasztására szolgáló ionágyuk jelentős részénél elektronütközéses ionizációval nemesgáz ionnyalábot állítanak elő, hiszen ezek az anyagok lépnek legkevésbé kölcsönhatásba a mintafelületekkel. A dolog természetéből következően igen fontos, hogy a felhasznált nemesgáz nagytisztaságú legyen, illetve a vákuumtérbe beengedett gáz mennyisége minél kevesebb szennyezőt tartalmazzon. Mivel az ilyen típusú nemesgázok általában csak valutáért szerezhetők be, fontos cél az is, hogy egy adott intenzitású ionnyalábot minél kevesebb gázmennyiség felhasználásával állítsunk elő. Ugyanakkor sok esetben a lehető legnagyobb értékre kell növelni az ionnyaláb intenzitását, az áramerősséget. A fenti kettős cél egyidejű kielégítésére a jelenlegi ionágyu típusok csak korlátozottan és nem kellő mértékben alkalmasak. Ennek okai az ionágyuk konstrukciójában keresendők. A jelenleg alkalmazott felületvizsgáló berendezések egy részénél a nemesgázt (ez rendszerint argon) a nagyvákuum térbe vezetik, amelyben maga az ionágyu is helyet foglal. Ennél az igen gazdaságtalan megoldásnál tehát az ionágyu ionizációs terénél nagyságrendekkel nagyobb teljes vákuumtérben kell folyamatosan biztosítani ezt a gáznyomást, ami az ionágyuban keletkező ionnyaláb előállításához szükséges. A nagy gázfelhasználás következménye az is, hogy a bevezetett gázzal együtt a gáz szennyező komponenseit is bevisszük a vákuumkamrába. Ha tehát a gázfelhasználást csökkentjük, ez egyúttal csökkenti a vákuumtérbe a gázzal együtt bejutó szennyezők koncentrációját is. A fentinél jobb megoldásúak azok a jelenleg alkalmazott ionágyuk, amelyekben egy csövön át egyenesen az ionizációs térbe vagy annak közvetlen környezetébe vezetik az ionizálandó gázt, de a fajlagos gázfelhasználás még így is soknak mondható. Különböző ionágyu típusokkal szakcikkek és könyvek széles köre foglalkozik, azonban ezek nem térnek ki a gazdaságos gázbevezetés kérdéseire, sem pedig egy új konstrukciójú gázbevezető rendszer alkalmazásával elérhető ionkihozatal növekedés lehetőségére. A témában alapirodalomnak számít C. Brunnée és H. Voshage „Massenspektrometrie” (Verlag Karl Thiemig KG, München) c. könyve. A legújabb szakirodalomból kiemelhető a „Secondary Ion Mass Spectrometry SIMS III.” c. konferencia kiadványa (Editors: A. Benninghoven, J. Giber, J. László, M. Riedel, H. W. Wemer, Springer- Verlag, Berlin-Heidelberg, New York, 1982), amelyben több cikk is foglalkozik új ionágyu típusokkal, de a gázbevezetés témakörének tárgyalása nélkül. Ugyancsak egy új ionágyu konstrukciót ír le a 353.519. lajstromszámú osztrák szabadalom, de a gázbevezetéssel kapcsolatban újdonságot nem tartalmaz és az ilyen vonatkozású részletekre nem tér ki. Ezekután a találmány célját egy olyan berendezés kialakításában lehet megjelölni, amely módot nyújt az áramerősség, illetve az ionkihozatal növelésére anélkül, hogy növekedne a felhasznált gáz mennyisége. A találmány alapja az a felismerés, hogy ha az ionágyú ionizációs terébe a Wehnelt vagy az anód hengeren keresztül több, sugárirányban elhelyezett fúvókán át vezetjük be a gázt, akkor a fúvókák megfelelő méretezése és egymástól való távolsága esetén az ionágyu tengelyében kialakuló ionizációs tér helyén olyan gázsűrűség, illetve gázáram hozható létre, melynek nagysága felülmúlja az egy fuvókán keresztül történő bevezetés esetén megvalósuló gázsűrűség értékét abban az esetben is, ha a fúvókákon keresztül bejutó teljes gázáram nem haladja meg a hagyományosan egy fúvókán át bejutó gázáram nagyságát. A találmány alapötletét az az ismert jelenség adta, hogy egy hengeres csőből molekuláris áramlással kilépő molekulák irányeloszlása annál inkább eltér az ideális, nagyon rövid cső esetén megvalósuló koszinuszos eloszlástól, minél nagyobb a cső hossza a sugárhoz képest, és ekkor az eloszlás egyre inkább irányított lesz a cső tengere irányában. A mi esetünkben a gázáramlás azért tekinthető molekulárisnak, mert a gázbevezető fúvókákbán alkalmazott kb. 1 Pa átlagos nyomás esetén a molekulák szabad úthossza az 4\/27rr2p összefüggés alapján (r^^O,17 nm) kb. 8 mm-nek adódik, és a találmány szerinti konstrukcióban a gázbevezető fúvókák lineáris méretei ezen értéket nem haladják meg. (A fenti összefüggésben k a Boltzmann állandó, T az abszolút hőmérséklet, r az adott gázatom vagy molekula sugara és p a nyomás.) \ találmány szerint az ionizációs térfogatban megnövekedett gázáramot kapunk, ha egy helyett több gázbevezető csővet alkalmazunk. Egy cső esetén, melynek hoszsza L, sugara R, a csővégről r távolságban, a csőtengelyen fekvő, rá merőleges és vele v kúpszöget alkotó, „a” sugarú felület mentén a gázáram egyenlőnek vehető a Q~v kúpszög-tartományba jutó gázárammal, és az alábbi módon írható : i> 1^=10 r2rr^|' 2T(r|)cosn sin^ dp 0 ahol I0 a cső bevezetésére eső gázáram és a T(ú) az L/R értéktől is függő, táblázatosán megadott átviteli függvény (B. Bayton: Gas Flow Patterns of Cylindrical Tubes. Vac. Symp. Trans., 1956. 5.), és a T(v) értékeit az L/R függ5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3
