Источники рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение характеризуется спектром длин волн от 10² до 10^-5 нм. При этом оно делиться на жесткое (l<0.2 нм) и мягкое. Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка.

Это электровакуумный прибор, состоящий из катода, анода, мишени и вакуумной оболочки. Возбуждение рентгеновского излучения происходит в результате бомбардировки твердотельной мишени пучком ускоренных электронов.

По способу получения свободных электронов рентгеновские трубки делятся на ионные и электронные.

В электронных трубках используется термокатод. Эмиттированные катодом электроны ускоряются в статическом поле (10² кВ) и при ударе о мишень резко тормозятся, теряя свою энергию. При этом около 5% энергии электронного пучка переходит в рентгеновское излучение, остальная часть расходуется в основном на нагрев. Мишень помещают в центр анода. Участок мишени, на котором тормозятся электроны, называется фокусным пятном. Иногда вблизи катода располагается дополнительный фокусирующий электрод. Рабочее давление в устройстве – 10^-4 – 10^-5 Па.

В ионных трубках с холодным катодом на первом этапе происходит ионизация рабочего газа в электрическом разряде (давление около 10^-1 Па). При этом положительные ионы бомбардируют катод, выбивая электроны. Эти электроны ускоряются полем анода, тормозятся мишенью, и возникает рентгеновское излучение. Данный тип трубок менее совершенен и в настоящее время практически не используется.

В рентгеновских трубках применяются массивные и прострельные аноды. Массивный анод состоит из мишени толщиной 0.02-3 мм и медного тела анода, а прострельный – из тонкой мишени (несколько мкм) и слабо поглощающей излучение подложки. В первом случае электронный пучок и рабочий рентгеновский пучок расположены по одну сторону мишени, в во втором - по разные стороны. Схема возникновения рентгеновского излучения приведена на рис.40.

Рис.40

Катоды делают из W. При формировании тормозного излучения используют мишени из W, Pd, Re (большой атомный номер). В случае характеристического излучения в зависимости от требуемой длины волны применяют мишени из Cr, Fe, Cu, Al.

Максимальная энергия рентгеновского излучения равна энергии падающих электронов Е_е. Если величина Е_е превышает энергию характеристического излучения атомов мишени Е, то спектр рентгеновского излучения будет содержать линии этого излучения. Получение рентгеновских лучей электронной бомбардировкой – малоэффективный процесс, так как большая часть мощности электронов идет на нагрев мишени. Поэтому максимальная интенсивность рентгеновского излучения определяется допустимой тепловой мощностью рассеяния мишени. Для пучка электронов диаметром 1 мм, падающего на алюминиевую мишень с водяным охлаждением, типовая величина максимальной мощности равна 400—500 Вт. Мощность получаемого при этом рентгеновского излучения порядка 10 мВт, причем излучение распределено по полусфере. В общем случае мощность рентгеновских лучей пропорциональна току электронов. Мощность характеристического излучения пропорциональна (Е— Е_е), если мишень достаточно тонкая и поглощением рентгеновских лучей в мишени можно пренебречь. По мере увеличения Е_е электроны более глубоко проникают внутрь мишени, и генерируемое характеристическое излучение поглощается гораздо сильнее, так как проходит больший путь в материале. Строение рентгеновской трубки показано на рис.41.

Рис.41

Для описания источника мягкого рентгеновского излучения разумно использовать тепловую модель, в которой энергия пучка электронов выделяется в круге диаметром d (см) на полубесконечном твердом теле с теплопроводностью К (Вт/(°Ссм)). Если профиль электронного пучка соответствует распределению Гаусса с характерным диаметром d, то изменение температуры в центре круга можно оценить из выражения: DТ=W/1,78dК. Максимальная подводимая мощность (в Ваттах) при этом равна W_макс=1,78DТdК.

Для создания источников рентгеновских лучей с наибольшей интенсивностью используются вращающиеся аноды с водяным охлаждением. Вращение позволяет более эффективно использовать всю площадь анода, а не только в пределах фокусирующего пятна. Материал анодов выбирается, исходя из усталостных характеристик, теплоемкости и теплопроводности, а также в соответствии с характеристиками тормозного излучения. Алюминиевый анод диаметром 20 см, вращающийся со скоростью 8000 об/мин, может рассеивать мощность около 20 кВт при диаметре пятна электронов, равном 6 мм. Максимальная мощность пучка пропорциональна диаметру пятна электронов на мишени в степени 3/2, поэтому яркость источника на самом деле уменьшается с ростом мощности пучка. Чтобы уменьшить образование полутеней, нужно использовать систему с быстро вращающимся анодом, с малым диаметром пятна и небольшим расстоянием от источника до подложки. На рис.42 приведена схема рентгеновской трубки с вращающимся анодом.

Рис. 42

На рис.43 приведена схема установки для проведения рентгеновской литографии со встроенной оптической системой совмещения. Анод выполнен из палладия, входная мощность – 4,4 кВт при пятне З мм и 25 кВ – при диаметре пятна 1 мм, вакуумное окно толщиной 50 мкм сделано из бериллия, расстояние между источником и пластиной 50 см.

Рис.43

Ионно-плазменные процессы в электронике.

В настоящее время ионно-плазменные процессы находят широкое применение в микроэлектронике благодаря ряду преимуществ, к которым можно отнести в первую очередь невысокую температуру процесса, отсутствие химических реагентов. Технологические операции, в которых используются плазменные процессы, включают очистку поверхности подложек, напыление слоев, травление с целью создания рисунка ИМС.

В основе этих процессов лежит взаимодействие частиц (заряженных или нейтральных) с поверхностью и приповерхностным слоем твердого тела. При этом возникает ряд эффектов, среди которых можно выделить:

1. упругое рассеяние частиц при взаимодействии с поверхностью твердого тела,

2. испускание электромагнитного излучения,

3. испускание вторичных электронов при соударении с поверхностью,

4. адсорбция частиц поверхностью твердого тела,

5. эмиссия частиц из приповерхностного слоя твердого тела,

6. проникновение частиц в объем твердого тела и создание дефектов.

Дата добавления: 2014-01-04