Датчик для вимірювання шільності дози при імплантації іонами he+

Изобретение относится к области ионных пучкев, в частности, к датчикам, служащим для диагностики ионных пучков, например, для намерения плотности дозы при «©мной имплантации или распределения плотности тока ионного пучка, и может быть использовано для дозиметрического контроля при ионной имплантации. Известны детекторы плотности дозы ионного облучения, основанные на регистрации распределения тока в пучке. Для регистрации токов, не больших 10 А, наибольшее распространение получил детектор электрического заряда [1], в котором ионы собираются коллектором, соединенным с землей через высокоомное сопротивление. Протекающий по этому сопротивлению ионный ток создает падение напряжения, достаточное для последующего усиления сигнала электрометрическим усилителем. В других схемах ионный пучок заряжает емкость до потенциала, измеряемого внешней схемой. В этих схемах используются резонансные усилители с динамическим конденсатором-накопителем ионов - на входи. Для измерения ионного тока иногда используют модуляцию ионного пучка с целью последующего усиления и измерения переменного напряжения, возникающего на нагрузочном сопротивлении коллектора ионов. Основная погрешность измерений в детекторе электрического заряда возникает в результате вторичной электронной эмиссии из материала коллектора, вследствие чего стабильная регистрация тока становится невозможной, так как коэффициент вторичной эмиссии сложным образом зависит от состава материала, тока пучка и угла его падения, массы ионов и их энергии. Уход вторичных электронов из коллектора создает ток, совпадающий по направлению с регистрируемым ионным. Для подавления вторичных электронов перед коллектором устанавливают антидинатронный электрод с отрицательным потенциалом 80 - 200 В или вместо плоского коллектора применяют цилиндр Фарадея с малым входным отверстием и длиной, превышающей диаметр. Хотя детектор электрического заряда позволяет проводить измерения прямым методом, темне менее точность его невелика (несколько процентов) и, как указано выше, его конструкция довольно сложна. Известно устройство измерения плотности токи ионов в пучках, позволяющее определять плотность дозы ионного облучения, которое использует катодное распыление металлических мишеней [2]. Это устройство содержит набор мишеней, изготовленных из медной фольги, каждая размером 40x10x0,1 ммг, располагаемых за фокусом пучка на расстоянии- 15 см и прижатых диском с отверстиями ко дну медного стакана. Пучок ионов через отверстия попадает на мишени и распыляет их. Температура мишеней измеряется термопарой, а суммарный ток определяется по потоку тепла через стенку медного стакана. К недостаткам описанного детектора измерения плотности тока в пучке ионов следует отнести погрешности, возникающие в результате зависимости коэффициента распыления от энергии ионов и от температуры мишени, что существенно снижает точность измерения. Последнее обстоятельство требует, чтобы температура мишени превышала температуру 300 - 400°С, при которой коэффициент распыления металлов практически не зависит от плотности ионного тока. В основу изобретения положена задача создания датчика для измерения плотности дозы при имплантации ионами Не+, в качестве которого впервые применена известная эпитаксиальная пленка железоиттриевого граната (ЖИГ) на подложке из галлий-тадолиниевого граната (ГГГ)(1Н)-ориентации, что обеспечивает повышение точности измерения наряду с простотой конструкции датчика и таким образом расширяет арсенал существующих датчиков для диагностики ионных пучков. Поставленная задача впервые решается применением эпитаксиальной пленки ЖИГ на подложке из ГГГ (III)-ориентации в качестве датчика для измерения плотности дозы при имплантации ионами Не +, Эпитаксиальные ферритовые пленки ЖИГ на подложке из ГГГ (1П)-ориентации обычно используются в качестве резонансных или волноведущих элементов в устройствах спин-волновой электроники сверхвысоких частот (СВЧ) [3]. Сущность предложенного датчика для измерения плотности дозы облучения объекта ионным пучком с заданной энергией заключается в особенностях спектра ферромагнитного резонанса в пленке ЖИГ, подвергнутой воздействию ионного пучка. В частности, используется тот факт, что в результате ионной имплантации обменные резонансы, обычно расположенные в неимплантированной нормально намагниченной пленке ниже по полю основной моды магнитостатических колебаний (МСК), возникают и при полях, превышающих резонансное поле основной моды МСК. Нами впервые обнаружено, что с ростом дозы имплантации при фиксированной энергии ионного пучка количество наблюдаемых высокополевых резонансов и степень их удаления от основной моды МСК растет. В предлагаемом техническом решении использована зависимость положения высокополевого обменного резонанса относительно основной моды МСК, однозначно определяемого дозой имплантации датчика ионами Не+. Предлагаемое техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку применение эпитаксиальных ферритовых пленок ЖИГ на подложке из ГГГ (III)-ориентации для измерения плотности дозы при ионной имплантации нигде и никем ранее не описано и не вытекает с очевидностью из изученных свойств эпитаксиальных пленок ЖИГ. На фиг. 1 изображена схематически эпитаксиальная пленка ЖИГ на подложке из ГГГ (ІII)-ориентации; на фиг. 2 -зависимость разности резонансных полей dН в эрстедах высокополевого резонанса Hi и основной моды МСК Но (dН = Н1 - Н0) при нормальном намагничивании датчика от плотности дозы D облучения его ионами Не+с энергией Ε = 100 кэВ. Исследования эпитаксиальных ферритовых пленок ЖИГ 1 на подложке 2 из ГГГ (III)-ориентации (фиг. І) в качестве датчика для измерения плотности дозы при ионной имплантации проводились в различных участках СВЧ диапазона (в интервале частот 2-4 ГГц и в трехсантиметровом диапазоне длин волн) на пленках различной толщины d = 1,3; 1,8; 4,11; 5,5 мкм при имплантации их ионами гелия с энергиями Є - 50 - 100 кэВ. Эти исследования показали, что для указанных частот, толщин ферритового слоя и энергия внедряемых в пленку ионов расстояние по полю ОН между высокополевым обменным резонансом и основной модой МСК однозначно определяется плотностью дозы имплантации. Для использования эпитаксиальной пленки ЖИГ на подложке из ГГГ (III)-ориентации в качестве датчика для измерения плотности дозы при ионной имплантации из пленки ЖИГ изготавливают образец, размеры которого выбираются из соображений необходимой локальности измерений. Минимальный размер датчика ограничивается возможностью уверенной регистрации его спектра СВЧ поглощения, что обеспечивается площадью поверхности датчика в несколько квадратных миллиметров. При измерениях датчик как мишень помещают на пути ионного пучка перпендикулярно ему в месте, где необходимо определить плотность дозы облучения (например, в месте расположения объекта, подвергаемого ионной имплантации). В этом случае датчик получает в результате ионной имплантации такую же дозу облучения, как и имплантируемый объект. Затем с помощью радиоспектрометра регистрируют спектр СВЧ поглощения датчика, из которого по графику, представленному на фиг. 2, и определяют плотность дозы, полученной датчиком при ионной имплантации. Как следует из фиг. 2, в точке максимальной крутизны зависимости dН = (D) (при Do » 1*10 15см-2) смещение обменного резонанса относительно основной моды МСК на величину 1Э вызывается изменением плотности дозы облучения ΔD = 2 * 1012 см-2. Оценки показывают, что при измерениях положения линий в спектре СВЧ поглощения датчика в 3-см диапазоне длин волн ядерным измерителем магнитной индукции с точностью порядка 0,01% можно судить о плотности дозы при имплантации с погрешностью, не превышающей 3 1012 см или 0,15%. При регистрации же спектра СВЧ поглощения датчика в 10-см диапазоне длин волн точность определения плотности дозы можно повысить до 0,05%. Таким образом, применение эпитаксиальной пленки ЖИГ на подложке из ГГГ(III)-ориентации в качестве датчика для измерения плотности дозы при ионной имплантации обеспечивает при простоте конструкции точность измерения, которая в несколько раз превышает точность, обеспечиваемую известными объектами того же назначения.