WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 24 | 25 || 27 |

Стабильное горение дугового разряда поддерживается испарением материала электродов, в частности, катода. Последний может быть либо холодным (охлаждаемым), либо горячим. В первом случае дуга горит в виде отдельных катодных пятен, перемещающихся по поверхности катода со скоростью 102 м/с. Диаметры пятен не превышают обычно нескольких микрометров, а плотность тока в них составляет 106-107 А/см2. Во втором случае дуга горит на всей поверхности катода, а его температура может приближаться к температуре плавления материала.

Ионы металла генерируются в виде высокоскоростных катодных струй с торцевой поверхности в результате эрозии металла. Компоненты плазменных струй распространяются изотропно в полусфере над поверхностью катода.

Каждое катодное пятно включает в себя эмитирующий электроны и атомы участок, область катодного падения потенциала, в которой сосредоточен положительный пространственный заряд, и наиболее ярко светящуюся часть - область ионизации. Продукты эрозии катода содержат макрокапельную ( с размерами до нескольких микрометров), паровую и ионизированную фазы.

Каждая из фаз характеризуется различными скоростями разлета. Обычно доля микрокапельной фазы не превышает 1%, однако ее наличие может ухудшить качество тонких пленок.

Если центральный электрод торцевого ускорителя включить анодом и пропускать через дугу импульсный ток силой до нескольких сотен ампер и длительностью импульсов 10-4 - 10-3 с, то можно осуществить анодную форму дуги. Импульсный разряд тогда стабилизируется собственным азимутальным магнитным полем на торцевой поверхности центрального анода в основном в продуктах его испарения. При достижении удельных мощностей разряда 106 - 5106 Вт/см2 появляется возможность перехода к квазистационарному процессу эрозии анода. При этом роль теплопроводности материала электрода становится несущественной, и вся энергия, выделяемая на аноде, затрачивается на испарение. Скорость испарения достигает значения 5102 - 2103 г/(см2с). Процесс по своим параметрам становится идентичным процессу, протекающему при воздействии сфокусированного излучения мощного лазера.

Пятно на аноде относительно малоподвижно, удается осуществить равномерный подвод энергии с высокой плотностью, отсутствует охлаждающий эффект вследствие эмиссии электронов, а эрозия катода оказывается в этих условиях незначительной.

Время установления стационарного режима испарения по порядку величины должно совпадать с временем образования прогретого слоя толщиной d = qa/vc, где qa - плотность мощности на аноде, а vc - равновесная скорость фронта тепловой волны на фазовой границе.

Для зажигания в вакууме сильноточного низковольтного разряда в парах материала электрода необходимо инициировать дугу. Для этого в промежутке катод - анод при включенном на нем напряжении следует на короткое время создать проводящую среду. Плазменное облако можно получить различными способами. Часто в устройствах механически создают контакт двух электродов, например катода и электрода вспомогательного разряда. В точке контакта проходит ток большой силы, при этом происходят быстрый разогрев зоны контакта, плавление и испарение металла.

Выделяющейся теплоты достаточно для термической ионизации паров. При разрыве контактов, длящемся около 0,01 с, возникает плазменное облако, ионы которого инициируют выход электронов из катода. Последние ускоряются к аноду и инициируют зажигание основной дуги в промежутке катод - анод.

Другой способ зажигания дуги - пропускание тока между электродами по поверхности изолятора, на которую заранее нанесена тонкая проводящая пленка. Эта пленка испаряется и ионизируется в зоне пробоя. Аналогично зажигается дуга при взрыве тонкого проводника, перемыкающего электродный промежуток.

Если в узле поджига дуги использовать гидрид титана, выделяющий при нагреве водород, то для зажигания дуги достаточно кратковременного импульсного разогрева детали из гидрида титана. Выделившееся малое количество водорода в межэлектродном пространстве достаточно для возникновения разряда и перехода его в дугу. Водород затем легко поглощается титановым геттером, и вакуум полностью восстанавливается после зажигания дуги.

После поджига дуга горит, образуя на электродах хаотические перемещающиеся микропятна. С целью стабилизации горения дуги на торцевой поверхности катода и предотвращения ее ухода на боковую поверхность в технологических генераторах плазмы используют цилиндрические экраны. Они обычно изготавливаются из материала с высокой магнитной проницаемостью и устанавливаются с зазором в 1 - 2 мм от катода на уровне его торца. Пятна в такой конструкции существуют только на торце катода. Катодные пятна можно стабилизировать и с помощью внешнего магнитного поля. В однородном магнитном поле ток, протекающий через пятна, взаимодействует с компонентами магнитного поля, одна из которых направлена под острым углом к поверхности катода. В результате взаимодействия наблюдается перемещение катодного пятна в направлении острого угла, образованного силовыми линиями магнитного поля с поверхностью. Внешнее магнитное поле воздействует и на весь объем плазменных струй, выходящих из генератора в виде факела. Поле вызывает вращение плазмы, фокусировку факела по оси ускорителя, позволяет изменить направление факела и доускорять плазму за счет взаимодействия азимутального холловского тока в ней с радиальной компонентой магнитного поля.

Контрольные вопросы 1. Дайте определение коэффициента ионного распыления.

2. От каких факторов зависит коэффициент ионного распыления 3. Как влияет энергия ионов на коэффициент распыления 4. Назовите разновидности процесса ионного травления материалов.



5. Укажите основные преимущества ионно-химического травления по сравнению с плазменным травлением и физическим распылением.

6. Назовите достоинства и недостатки метода ионно-лучевого осаждения покрытий.

7. В чем особенности процесса получения тонких пленок при ионноплазменном распылении 8. Как влияет давление газа в распылительной системе на скорость роста и свойства осаждаемых пленок 9. Перечислите основные типы распылительных систем и дайте их сравнительную характеристику.

10.Почему при ионном распылении сложных сплавов состав пленки может соответствовать составу распыляемого материала 11.Какие причины могут вызвать изменение состава осаждаемой пленки 12.Какова сущность процесса магнетронного распыления 13.Как влияет магнитное поле на параметры распылительной системы 14.Укажите достоинства и недостатки магнетронного распыления.

15.В чем особенности высокочастотного распыления по сравнению с распылением на постоянном токе 16.Сформулируйте принципы вакуумно-дугового осаждения покрытий из плазмы материала электродов.

17.За счет чего при плазменно-дуговом осаждении достигается высокая адгезия покрытия 18.Приведите примеры применения покрытий, получаемых вакуумнодуговым осаждением.

4.9. ИОННЫ Е И ИОННО-ЛУЧЕВЫ Е МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА В ряде методов диагностики поверхности используется ионное возбуждение. Одним из наиболее распространенных методов этого класса является ионная масс-спектрометрия, основанная на явлении вторичной ионной эмиссии, суть которого состоит в следующем. При бомбардировке поверхности кристалла ускоренными ионами их кинетическая энергия передается частицам твердого тела. Если частица (атом или ион) вблизи поверхности получает энергию, большую теплоты сублимации, а скорость частицы направлена в сторону вакуума, то возможен ее выход из кристалла.

При этом существует некоторая вероятность ионизации выходящих частиц.

Ионная составляющая такого потока и образует вторичную ионную эмиссию.

Экспериментально установлено, что при ионной бомбардировке поверхность твердого тела эмитирует атомные ионы основного вещества (однозарядные и многозарядные), ионы многоатомных кластеров основного вещества, его соединений с различными атомами, а также ионы поверхностных примесей.

Толщина слоя, из которого происходит вторичная ионная эмиссия, не превышает нескольких ангстрем. Таким образом, метод дает информацию о химическом составе поверхности.

Полный анализ явления вторичной эмиссии состоит из трех основных этапов: изучения взаимодействия первичных ионов с частицами твердого тела, изучения электронного обмена между выходящими частицами твердого тела, а также установления электронного равновесия внутри частицы после выхода ее в вакуум.

Теоретическое описание первого этапа фактически сводится к хорошо разработанным теориям катодного распыления. Для количественной характеристики этого процесса используется коэффициент катодного распыления, определяемый экспериментально. Два последних этапа, связанные с ионизацией вылетающих частиц, изучены значительно меньше, хотя существует ряд моделей ионизации. Поэтому оценка зарядового состояния вторичных ионов является сложной задачей.

Основными экспериментальными характеристиками вторичной ионной эмиссии являются: распределение ионов по энергиям и углам вылета; массспектр вторичных ионов, то есть зависимость тока вторичных ионов с данным значением массового числа от массового числа; коэффициент катодного распыления для данного типа ионов. Рассмотрим информативность этих характеристик.

Качественный анализ поверхности. Масс-спектры вторичных ионов представляют собой зависимость ионного тока от массового числа и имеют вид ряда пиков различной интенсивности. Набор пиков и их интенсивности существенно зависят о состояния поверхности и дают информацию о ее элементном составе.

Чем более загрязнена поверхность, тем сложнее масс-спектр. Если последовательно измерять ряд масс-спектров при очистке поверхности высокотемпературным вакуумным прогревом или ионным травлением, то можно судить об эффективности данного способа очистки.

Количественный анализ. Полный ионный ток в определенном пике пропорционален количеству атомов данного сорта, находящихся на поверхности. Следовательно, значение полного ионного тока может использоваться для количественного анализа состава поверхности. Однако при этом необходимо знать коэффициент катодного распыления и степень ионизации вторичных ионов, а при абсолютных измерениях - и коэффициент собирания ионов коллектором (отношение числа зарегистрированных коллектором ионов к полному их числу, испускаемому заданным участком поверхности). Эти величины обычно определяют, производя градуировку масс-спектрометра, т.е. измеряя масс-спектры известных эталонов.

Чувствительность методики к различным элементам на поверхности может существенно отличаться. Наиболее легко обнаружить атомы, обладающие низким потенциалом ионизации и слабо связанные с поверхностью, например, атомы щелочных металлов. Минимальные относительные концентрации (под относительной концентрацией понимают отношение концентрации атомов данного сорта к поверхностной концентрации атомов основного вещества) таких атомов, которые могут быть обнаружены, составляют 10-9. Для большинства элементов эта величина составляет 10-6.

Распределение атомов на поверхности. При сканировании поверхности достаточно узким ионным пучком можно получить информацию о распределении данного элемента по поверхности, а с помощью ионного микроскопа можно получить увеличенное изображение исследуемого участка в ионах данного типа. Такая методика позволяет судить об однородности поверхности, о местах скопления определенных элементов, о локальных изменениях состава поверхности при различных воздействиях, например адсорбции, поверхностном легировании.





Распределение атомов по глубине в приповерхностной области.

Ионная бомбардировка может быть использована для контролируемого удаления поверхностных слоев (ионное травление). Измеряя масс-спектры при таком послойном стравливании, можно определить профили легирования приповерхностной области различными элементами, полученные при диффузии примесей с поверхности в объем, а также при ионном легировании.

Проще всего получить относительное изменение концентрации по глубине. Для этого следует измерить зависимость ионного тока от времени ионной бомбардировки, которая и определяет толщину удаляемого слоя. Для абсолютных измерений требуется градуировка масс-спектрометра.

Отметим, что при точном количественном анализе следует учитывать осложнения, связанные с внедрением первичных ионов и другими видами травмирования исследуемой поверхности.

Химические связи атомов на поверхности существенно влияют на вид масс-спектров. Например, при окислении поверхности кремния появляется ряд новых пиков, соответствующих различным формам соединения кремния и кислорода. Таким образом, масс-спектрометрические методы могут быть использованы также при изучении химических реакций на поверхности твердых тел, что важно для решения различных химических проблем, в частности, проблем катализа.

Аппаратура и методика эксперимента. Экспериментальная установка для измерения масс-спектров состоит из источника первичных ионов определенного сорта, часто ионов инертных газов, обеспечивающего изменение плотности тока и энергии ионов в нужном диапазоне; вакуумной камеры с держателем образца, позволяющим изменять его ориентацию по отношению к возбуждающему пучку; анализатора масс и энергий вторичных ионов; коллектора, измеряющего ионный ток (цилиндра Фарадея или специального преобразователя ионного потока в электронный).

Используются установки трех типов.

Масс-спектрометр вторичных ионов. Возбуждается вся поверхность образца ионным пучком большого диаметра (0,1-0,01 см2), вторичные ионы анализируются магнитным или квадрупольным масс-спектрометром.

Регистрируется весь спектр масс либо отдельная линия.

Ионный микрозонд. Возбуждение производится узким сканирующим ионным пучком (диаметр до 1 мкм). Вторичные ионы анализируются массспектрометром, так что на коллектор попадают частицы с определенным отношением массы к элементарному заряду. Сигнал с коллектора попадает на экран осциллографа. Если синхронизировать развертку с положением ионного пучка в данной точке поверхности, то на экране можно получить увеличенное изображение поверхности «в ионах» данного сорта.

Вторично-ионный микроскоп. Диаметр сканирующего ионного пучка варьируется от нескольких микрометров до 25 мкм. Узкий вторичный пучок анализируется по импульсу и энергии. Увеличенное изображение поверхности «в ионах» данного типа регистрируется на экране или фотопластине.

Достоинства метода:

- высокая разрешающая способность по массе, определяемая качеством анализатора и позволяющая разрешать практически все возможные изотопы;

- высокая чувствительность, определяемая, в основном, устройствами регистрации и позволяющая определить массу ионов при их количестве до 103-104;

- возможность регистрации всех элементов, включая водород и гелий;

- возможность анализа как проводящих, так и изолирующих материалов с применением специальных мер для разрядки поверхности;

- возможность визуального наблюдения поверхности «в ионах» данного типа с разрешением деталей до 1 мкм;

- возможность проведения контроля элементарного состава поверхности в трех измерениях.

Недостатки метода:

- разрушающий характер зондирования, поскольку в ходе эксперимента измеряется состав поверхности и геометрический рельеф;

- необходимость градуировки по эталонам для получения количественного анализа химического состава поверхности;

- трудности расшифровки химических связей.

Контрольные вопросы В чем суть метода вторичной ионной масс-спектрометрии Какая информация о твердом теле может быть получена этим методом Назовите разновидности метода ВИМС.

Укажите достоинства и недостатки ВИМС.

Задачи и задания для практических занятий и самостоятельной работы к главе 1. Рассчитать и проанализировать влияние массы бомбардирующего иона на энергию, соответствующую максимуму ядерной тормозной способности.

2. Рассчитать зависимость ядерной тормозной способности от энергии ионов для одной из комбинаций ион-твердое тело.

3. Оценить энергию, при которой ядерная и электронная тормозные способности равны, если кристалл германия бомбардируется ионами фосфора.

4. Рассчитать среднюю проекцию пробега и среднее нормальное отклонение проекции пробега в зависимости от энергии ионов при бомбардировке кремния ионами бора.

5. Рассчитать и проанализировать зависимость средней проекции пробега ионов в кремнии от массы бомбардирующего иона при энергии 50 кэВ.

6. Вычислить максимальную концентрацию внедренной примеси при бомбардировке кремния ионами фосфора с энергией 50 кэВ при плотности тока в пучке 1 мА/см2 и времени обработки 1 час.

Pages:     | 1 |   ...   | 24 | 25 || 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.