авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«Национальная академия наук Азербайджанской республики Институт Физики Гасанов И.С. Плазменная и пучковая технология ...»

-- [ Страница 3 ] --

Попытки создать p-n переходы диффузией в таких соеди нениях, как CdS, ZnS и ZnTe закончились неудачей. Это связано с явлением самокомпенсации, которое состоит в том, что при введении легирующей примеси диффузией в решетке возникают дефекты, компенсирующие действие этой примеси. Если леги рующая примесь донорного характера, возникают акцепторы, захватывающие электроны с донорных уровней, и наоборот. Так - 117 как ионное легирование является неравновесным процессом, позволяющим вводить в кристалл любую примесь, а для отжига радиационных дефектов не требуется столь высоких темпера тур, как для диффузии, то имплантацию и отжиг можно прово дить под защитной пленкой, чтобы не нарушать состав соедине ния за счет испарения компонентов. Это позволило создать p-n переходы в указанных полупроводниках ионной имплантацией.

Имплантацию примеси в полупроводник не обязательно проводить из ионного пучка. Иногда оказывается удобным сна чала высадить на поверхность полупроводника тонкую пленку из вещества, предназначенного для имплантации, а затем под вергнуть пленку бомбардировке ионами инертного газа. Ионы, соударяясь с атомами пленки, передают им энергию и импульс в направлении, перпендикулярном к поверхности полупроводни ка. В результате, в полупроводник будут внедряться как пер вичные ионы, так и атомы отдачи (имплантация атомов отдачи).

Коэффициент имплантации атомов при оптимальном вы боре условий облучения может достигать нескольких единиц.

Изменение концентрации носителей заряда при ионной бомбардировке может достигаться также активацией нейтраль ной примеси. Пусть в полупроводнике примесь находится в ви де нейтральных молекулярных комплексов. При бомбардировке ионами происходит их разрушение, и освобождающаяся при месь получает возможность проявить легирующие свойства.

Так как при ионной бомбардировке в полупроводнике создаются радиационные дефекты, которым соответствуют глу бокие локальные уровни, то захват носителей заряда на эти уровни может привести к уменьшению проводимости, а при достаточно больших дозах облучения концентрация носителей может стать близкой к собственной, т.е. произойдет компенса ция легирующей примеси. Кроме того, концентрация носителей заряда может уменьшиться из-за образования комплексов при месный атом – радиационный дефект, в результате чего примес ный атом уйдет из электрически активного положения. Оба эти механизма могут быть использованы для получения в полупро водниках с низкой собственной электропроводностью высоко омных слоев, которые могут служить, в частности, в качестве изоляции между элементами или приборами, изготовленными - 118 на одном кристалле. Например, при облучении протонами GaAs и GaP были получены изолирующие слои с ~109 и 1014 Омсм соответственно.

Изменения электрических свойств под действием ионной бомбардировки из-за введения радиационных дефектов необхо димо учитывать при проведении такой широко распространен ной технологической операции, как ионное травление. Толщина слоя, проводимость которого заметно понижена ионным трав лением, может во много раз превышать проективный пробег ионов R p. Например, при травлении Si ионами Ar+ с энергией кэВ ( R p 10 нм) под углом 15-20 o к поверхности толщины та ких слоев достигают 60-80 нм.

Изменение подвижности носителей заряда при ионном облучении обусловлено появлением электрически заряженных центров, которыми являются как сами атомы легирующей при меси, так и радиационные дефекты. Рассеяние на этих центрах приводит к уменьшению подвижности носителей заряда.

В результате неупругих столкновений ионы генерируют в полупроводнике неравновесные носители заряда – свободные электроны и дырки, что сопровождается увеличением проводи мости материала. Последующее поведение возбужденных элек тронов и дырок точно такое же, как и при фотопроводимости.

Времена жизни неравновесных носителей заряда в полупровод никах невелики, как правило, 10-4 с.

Ионное облучение также может влиять на время жизни неравновесных носителей заряда. Такие носители заряда могут быть созданы внешним излучением (свет, электроны, ионы), генерированы в результате размножения носителей в сильном электрическом поле, инжектированы из другой части прибора и т.п. Радиационным дефектам соответствуют локальные энерге тические уровни в запрещенной зоне. В зависимости от положе ния уровня на энергетической шкале дефекты могут играть роль ловушек или рекомбинационных центров. Если уровень нахо дится ближе к краю запрещенной зоны и вероятность обратного теплового перехода захваченного носителя в зону проводимости (или валентную) превышает вероятность захвата носителя заря - 119 да противоположного знака, то локальный центр является ло вушкой захвата. Если дефекту соответствует глубокий уровень, благодаря чему вероятность теплового перехода носителя об ратно в зону проводимости (или валентную) мала, то такой центр может служить центром рекомбинации, т.е. захватывать последовательно сначала носитель заряда одного знака, а затем через некоторое время – носитель заряда противоположного знака.

При ионной бомбардировке таких широко распространен ных полупроводников, как германий и кремний, возникают в основном глубокие уровни, т.е. преимущественно создаются рекомбинационные центры. Это приводит к уменьшению вре мени жизни неравновесных носителей заряда.

Вводимые бомбардировкой дефекты взаимодействуют не только с неравновесными носителями заряда. Пусть какому либо радиационному дефекту соответствует энергетический уровень в запрещенной зоне, расположенный ниже уровня Фер ми. Такой дефект может захватить электрон и приобрести отри цательный заряд. Зарядка поверхностных состояний приведет к изменению изгиба зон вблизи поверхности, что может быть за регистрировано, например, путем измерения контактной разно сти потенциалов. Изменение изгиба зон в свою очередь может сказаться на времени жизни носителей заряда, облегчая или за трудняя их подход к поверхности.

Радиационные дефекты сильно влияют на люминесцент ные свойства полупроводников. Если дефекты являются цен трами безизлучательной рекомбинации, то происходит гашение люминесценции. Если же захват электрона или дырки дефектом является излучательным процессом, в спектре люминесценции появляется линия, соответствующая новой длине волны.

Активация проводимости в имплантированных слоях термическим отжигом.

Основной материал, используемый в электронной про мышленности для изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем – кремний. Перспективным является также арсенид галлия. Это обусловлено тем, что подвижность элек тронов в GaAs значительно выше, чем в кремнии, и поэтому - 120 СВЧ - приборы и интегральные микросхемы на его основе должны обладать большим быстродействием.

Кремний. Для создания слоев с дырочной или электрон ной проводимостью чаще всего используют соответственно ио ны бора или фосфора. При изготовлении полупроводникового прибора конкретного типа необходимо создать вполне опреде ленное распределение электрически активных центров по глу бине. Это распределение будет совпадать с распределением ио нов по проективным пробегам только при выполнении следую щих условий:

а) радиационные дефекты, влияющие на концентрацию носителей, полностью отжигаются;

б) перераспределение примеси в процессе высокотемпе ратурного отжига не происходит;

в) все внедренные частицы или постоянная по глубине их доля переходит в электрически активное положение.

Характеристики прибора зависят от концентрации и фор мы распределения электрически активной примеси. Поэтому важно уметь точно контролировать долю примесных атомов, перешедших в электрически активное положение, или коэффи циент использования примеси.

При имплантации обычно используются ионы с энергией 50-100 кэВ и выше. Для таких энергий с достаточно хорошей точностью можно считать, что все бомбардирующие частицы внедряются в образец.

На рис.1 показано, как коэффициент использования при меси f зависит от температуры отжига. Температура кристалла кремния во время имплантации составляла 90 o С, энергия ионов бора 40 кэВ, длительность каждой ступени отжига 30 мин. С ростом дозы ионов для того, чтобы f стало равно единице, тре буется все более и более высокая температура. Верхний предел концентрации, который может быть достигнут имплантацией бора, не меньше предела растворимости бора в кремнии (4 6)1020 см-3.

f 1 23 - 121 0, Рис.1. Зависимость коэффициента использования примеси от температуры мишени.

1 – Ф = 61012 см-2;

2 - 61013;

3 - 6 1014;

4 - 6 1015.

Возможность понизить температуру, при которой осуще ствляется та или иная операция, всегда привлекает внимание технологов не столько ради экономии энергии, сколько для со хранения результатов предыдущих технологических операций.

Отжиг кремния при температуре выше 900 o С приводит к заметному расплыванию профиля имплантированного бора.

Для снижения температуры отжига при сохранении высо кого коэффициента использования следует аморфизировать кристалл, что можно сделать различными способами. Процесс перехода атома бора в узлы кристаллической решетки в значи тельной степени определяется концентрацией вакансий nv~ см-3, а скорость их термической генерации ~108 см-3 с-1. Эти ве личины малы, поэтому так высока температура отжига, особен но при высоких дозах имплантации бора (рис. 1). Если же леги рованный слой был аморфизирован, то в процесс рекристалли зации аморфного слоя при ~ 600 o С должно освобождаться большое число вакансий, что и обеспечивает эффективный пе реход атомов бора в узлы.

Арсенид галлия. Процесс ионного легирования арсенида галлия имеет ряд особенностей по сравнению с легированием элементарных полупроводников. В решетке GaAs больше раз - 122 ных фиксированных местоположений, в которых могут нахо диться примесные атомы. Атомы замещения могут занимать узлы различных подрешеток и проявлять при этом разные свой ства. Атомы 4 группы (кремний, германий, олово) в галлиевой подрешетке будут проявлять донорные свойства, а в подрешетке мышьяка – акцепторные.

В процессе отжига возможно изменение стехиометрии GaAs вследствие испарения более летучего компонента – мышь яка. В результате этого поверхностный слой будет обогащаться галлием, чему соответствует появление акцепторных уровней в запрещенной зоне. Приходится либо герметизировать образец перед отжигом с помощью защитной пленки ( Si3N4, SiO2);

либо создавать избыточное давление мышьяка в объеме, где прово дится отжиг;

либо погружать образец GaAs в мелкодисперсный порошок графита и проводить отжиг в атмосфере водорода или инертного газа.

Ограничения метода ионной имплантации.

Стандартная установка для ионной имплантации состоит из ионного источника, систем формирования ионного пучка, ускорения и разделения ионов по массам (сепаратора), системы сканирования и приемной камеры.

Наиболее употребляемыми являются дуоплазмотроны.

Используются также источники с пеннинговским и высокочас тотными разрядами. Для получения ионов бора в рабочую каме ру источника напускают газообразный BF3, а для получения ио нов фосфора - пары фосфора.

Для сепарации ионов используют масс – спектрометры с секторным магнитным полем. В установках для промышленно го изготовления полупроводниковых приборов и микросхем разрешение по массам, как правило, невелико: M / M 80 100.

Метод ионной имплантации имеет и определенные недос татки:

Образование радиационных дефектов и необходимость осуществления специальной термической операции для их от жига и перевода внедренной примеси в электрически активное - 123 положение. Неполный отжиг дефектов приводит к появлению глубоких уровней в области p-n перехода, в результате чего об ратные (темновые) токи оказываются большими, чем в диффу зионных переходах.

Сложность специального оборудования, его сравнительно большие размеры, высокая стоимость.

При сравнительно легкодоступных энергиях 100-150 кэВ глубина проникновения ионов ограничена на уровне 0,5 -1 мкм.

Переход к большим глубинам потребовал бы увеличения на чальной энергии частиц, то есть усложнения оборудования.

Радиационно-стимулированная диффузия.

Основными механизмами диффузионного перераспреде ления примеси являются диффузия по междоузлиям и по вакан сиям.

Следует иметь в виду, что энергия активации диффузии не обязательно равна E M или E M + E v.. Если примесный атом захватывается каким-либо дефектом – ловушкой и перехо дит в неподвижное состояние, то для освобождения атома по требуется большая энергия, чем энергия миграции в свободном состоянии. В этом случае процесс освобождения будет ограни чивать диффузию.

В полупроводниках нередко наблюдается одновременная диффузия примеси и по вакансиям и по междоузлиям. Для него характерно существование двух (и более) диффузионных пото ков, между которыми осуществлялся непрерывный обмен час тицами. Зарядовое состояние частиц в разных потоках может быть различным, так как частицы занимают неэквивалентные положения в решетке. Поэтому электрические поля будут по разному влиять на перемещение частиц.

Локальные деформации кристаллической решетки вблизи примесного атома могут понижать энергию образования вакан сии. Это приведет к появлению комплексов примесный атом – вакансия. Такой комплекс будет диффундировать по кристаллу как единое целое.

Если примесные атомы диффундируют по междоузлиям, то создание радиационных дефектов-вакансий эквивалентно - 124 созданию центров захвата, т.е. потенциальных ям для диффун дирующих атомов. В этом случае облучение будет замедлять диффузию.

Если же диффузия осуществляется по вакансиям, то уве личение концентрации вакансий при ионном облучении должно приводить к ускорению диффузии.

В кремнии скорость диффузии обычно лимитируется за хватом примеси в неподвижные комплексы. В этом случае ус корение диффузии при ионной бомбардировке может быть осу ществлено за счет изменения «стартового» положения примес ного атома. Пусть атом находится в составе неподвижного ком плекса. При облучении в результате прямого попадания иона или быстрого смещения атома в комплекс последний может быть разрушен, и примесный атом окажется свободным.

При облучении ионами эффекты, обусловленные возбуж дением электронов, как правило, не определяют характер РСД.

Основное воздействие связано с упругими столкновениями, т.е.

с генерацией дефектов решетки.

Наибольший практический интерес в явлении РСД пред ставляет следующее:

1) имплантацию проводят при повышенной температуре так, что внедряемые атомы за счет РСД могут перемещаться на расстояния, сравнимые с проективным пробегом R p или даже большие;

2) предварительно диффузией или ионной имплантацией осуществляют легирование приповерхностного слоя, а затем, облучая образец ионами (обычно H +, He + ) при повышенной температуре, проводят РСД;

3) после ионной имплантации при низкой температуре производят высокотемпературный отжиг радиационных дефек тов и разгонку примеси.

- 125 §15. Пучковая металлургия.

Метод ионной имплантации, в арсенале которого имеются практически ионы любых элементов периодической системы, является мощным инструментом модификации поверхностных свойств конструкционных материалов. Значительный интерес к изучению модифицированных ионной имплантацией поверхно стных слоев металлов возник в семидесятых годах в связи с ма териаловедческой проблемой первой стенки термоядерного ре актора и связанной с ней задачей совершенствования конструк ционных материалов, сохраняющих необходимые свойства в экстремальных условиях эксплуатации. Имеется несколько ас пектов применения ионной имплантации в металлах. Исследу ются вопросы, связанные с применением метода ионной им плантации в металлы для направленного изменения их поверх ностных свойств. Имплантация ионов в металлы используется для формирования необычных метастабильных структур. При менение ионной имплантации с последующей термообработкой имплантированных слоев позволяет определять константы диф фузии, растворимость одного материала в другом как функцию температуры, а также свойства равновесных фаз. Имплантация ионов в металлы может быть использована для интерпретации механизмов коррозии, износа и других поверхностных процес сов.

Особенности имплантационной металлургии.

Одним из основных преимуществ ионной имплантации перед традиционными способами введения примеси заключает ся в неравновесной природе процесса. При металлургическом способе введения в металлы легирующих добавок перемещение примесей осуществляется при высоких температурах при нали чии градиента концентрации этих примесей. В случае же ионно го легирования атомы инжектируются за счет кинетической энергии ионов, намного превышающей энергию связи атомов в решетке. Благодаря этому ионная имплантация позволяет изме нять состав и структуру поверхности сплавов независимо от - 126 обычных равновесных ограничений, накладываемых законами термодинамики, что открывает уникальную возможность полу чения смеси из любых элементов. Например, удается сплавлять металлы, не смешиваемые в жидком состоянии;

при комнатной температуре получать новые метастабильные сплавы со струк турой раствора, недоступные для обычных методов металлургии даже при высоких температурах. Так, молибден в алюминии практически не растворим (около 0,02 масс.% при 500 o С), а в результате ионной имплантации в поверхностном слое алюми ния образуется сплав, содержащий до 25ат.% молибдена.

В настоящее время с помощью ионного легирования по лучены пересыщенные твердые растворы, метастабильные ин терметаллические соединения, равновесные сплавы и аморфные фазы.

Другим характерным отличием ионной имплантации яв ляется образование большого количества радиационных дефек тов в имплантированном слое, как правило, на 2-3 порядка пре восходящее число имплантированных атомов. Увеличение ко личества дефектов в металлах является давно известным спосо бом их упрочнения. На этом основаны такие способы обработки металлов, как поверхностная пластическая деформация, наклеп, ковка, прокатка, штамповка, волочение, прессование и т.п. При больших дозах облучения (более 1016 см-2) каскады смещений перекрываются и достигается насыщение слоя дефектами. Обра зование разупорядоченных областей в имплантированном слое сопровождается возникновением механических напряжений.

Как правило, сжимающие напряжения увеличивают, а растяги вающие – уменьшают прочность металла.

Высокая пересыщенность радиационными дефектами им плантированных слоев способствует интенсификации всех яв лений, в основе которых лежит перенос вещества – радиацион но-стимулированная диффузия (РСД), радиационно индуцированная сегрерация примесей (РИС). Если имплантация сочетается с нагревом мишени во время или после имплантации, то в распределениях появляются далеко проникающие вглубь мишеней «хвосты», обусловленные РСД. Для иллюстрации это го эффекта на рис.1 представлены профили распределения им - 127 плантированных в ниобий ионов азота с энергией 40 кэВ. Тем пература мишени в процессе облучения 2500С.

N, ат.% 40 0 0,2 0,4 0,6 0,8 d, мкм Рис.1. Профили распределения имплантированных ионов.

Максимум концентрации вбитых атомов азота по мере увеличения дозы смещается вглубь мишени. При Д = 1018 см- толщина слоя с концентрацией азота 45-50 ат. % приблизитель но в 3 раза превышает проецированный пробег ионов N+ c энер гией 40 кэВ в Nb. Выделение мелкодисперсных вторичных фаз – нитридов, карбидов, боридов, а также образование интерметал лических соединений имплантированных атомов с элементами, входящими в состав облучаемого сплава, с параметрами решет ки, отличающимися от параметров решетки матрицы, приводит к возникновению локальных напряжений, способствующих уп рочнению поверхностного слоя.

Модификация поверхностных свойств материалов может быть обусловлена не только имплантацией ионов, но и перерас пределением компонентов сплава под действием ионной бом бардировки в результате процесса радиационно индуцированной сегрерации, характерный температурный диа пазон для которого обычно составляет (0,2-0,6) от температуры плавления. Модификация химического состава поверхностного слоя в процессе имплантации вследствие РИС может также при вести к существенному изменению его коэффициента распыле ния.

- 128 Упрочнение металлических поверхностей ионной имплан тацией может являться также следствием изменения структуры поверхности – изменения величины зерен и их ориентации и аморфизации поверхности металла. Известно, что в металличе ских сплавах некристаллические фазы формируются путем бы строго охлаждения жидкой или газообразной фаз с типичной скоростью закалки 106 – 109 К/с. При определенных режимах облучения тяжелыми ионами процесс соударений в плотных каскадах можно рассматривать с точки зрения термических пи ков со скоростью 1014 К/с. Таким образом, образование аморф ных металлических сплавов при определенных условиях стиму лируется самим процессом торможения высокоэнергетичных ионов в твердом теле.

Сплавы с высоко разупорядоченной структурой образу ются лишь для определенных комбинаций ион – металл. Амор физация поверхностного слоя различных металлов достигается при имплантации в них ионов металлоидов (B+, Р+, As+). Поэто му формирование аморфных систем ионов металлоид – металл интерпретируется с точки зрения ковалентности в их связи.

Еще одной особенностью ионной имплантации является отсутствие резкой границы перехода между упрочненным по верхностным слоем и объемом материала. Кроме того, в по верхность инструмента могут быть внедрены ионы элементов, играющих роль твердой смазки. Сохранение макроскопических размеров обрабатываемых прецизионных деталей позволяет применять ионную имплантацию в качестве финишной опера ции обработки в существующих технологических линиях.

Альтернативным методом модификации поверхностных свойств металлов с помощью ионных пучков является ионное перемешивание. Ионное перемешивание осуществляется путем бомбардировки высокоэнергетичными ионами покрытия, нане сенного каким-либо способом (распылением, испарением и т.д.) и имеющего толщину, сравнимую с пробегом ионов в данном материале.

Технологические возможности имплантационной металлургии.

В первую очередь ставится вопрос о верхнем пределе концентрации имплантированных атомов и толщине модифи - 129 цированного ионной бомбардировкой слоя. В отличие от ионно го легирования полупроводниковых материалов, где объемная концентрация имплантированной примеси, как правило, не пре вышает 0,1 ат.%, для модификации поверхностных свойств ме таллов концентрация примеси должна составлять 10 – 20 ат.%.

Процесс ионного легирования сопровождается распылением облучаемого материала. После распыления слоя, равного проек тивному пробегу ионов RP, профиль распределения импланти рованной примеси трансформируется в столбикообразный с максимумом концентрации примеси на поверхности, и опреде ляется коэффициентом распыления S и концентрацией атомов n мишени ne: N =. В соответствии с этим предельная доза ле S гирования составляет n0 R p Д max = (1) S Так как для ионов данной энергии с большими массовыми числами Rp мало, а S велико, то предельные дозы легирования оказываются относительно небольшими.

Для ионов с энергиями до нескольких сот килоэлектрон вольт Rp составляет менее одного микрона. Существенное влия ние на величину предельной дозы легирования и толщину им плантированного слоя оказывает процесс радиационно стимулированной диффузии примеси. Распыление практически не оказывает влияния на предельную дозу легирования, а тол щина имплантированного слоя может возрасти от нескольких раз до нескольких порядков величины в зависимости от комби нации ион – металл, причем определяющее влияние на толщину слоя оказывает не энергия иона, а интенсивность ионного пучка.

В настоящее время метод ионной имплантации применя ется для целенаправленного изменения механических, триболо гических, химических, коррозионных и каталитических, оптиче ских, сверхпроводящих, эмиссионных и других поверхностных свойств различных материалов. По аналогии с традиционным способом повышения износостойкости с помощью азотирова ния, для повышения сопротивления износу применяют имплан - 130 тацию ионов N+. Вместе с тем механизм в ионно имплантированных азотом слоях отличается от механизма изно са металлов, упрочненных обычным способом. Главное отличие заключается в том, что в процессе имплантации в поверхност ный слой вводится большой количество радиационных дефек тов. Имплантированные атомы азота, взаимодействуя с дефек тами, сегрегируют на дислокациях, что блокирует их движение и упрочняет поверхностный слой.

Высокую роль играет также имплантация элементов, спо собствующих повышению пластичности поверхностного слоя.

Например, при имплантации ионов Dy+ и Мо+ в сталь наблюда ется увеличение ее пластичности.

Альтернативным способом увеличения износостойкости стали и железа является модификация морфологии образующе гося при износе металлического окисла, которая достигается имплантацией ионов иттрия и редкоземельных элементов.

Имплантация ионов N+ существенно (до 103 раз) улучшает прочностные характеристики титанового сплава Ti – 6Al-4Y, применяемого в медицине в качестве тазобедренных и коленных протезов, контактирующих с полиэфиленом, используемом в ортопедии. При этом в области доз облучения 21017 см-2 микро твердость поверхностного слоя титанового сплава возрастает на 180%. Упрочненный протез служит в течение всей последую щей активной жизни молодых пациентов. Ответственные детали целого ряда машин работают в условиях циклической нагрузки при комнатной и высокой температуре, а также в коррозионных средах. Поскольку причиной развития усталостной трещины являются дислокационные процессы, на которые метод ионной имплантации оказывает существенное влияние, при надлежа щем выборе режима облучения можно повышать сопротивление усталостному разрушению. На рис. 2 представлены кривые вы носливости детали из сплава ВТ – 18У до и после имплантации.

Предел выносливости исходного материала на базе 107 циклов нагрузки возрос на 25%, циклическая долговечность – в 20 раз.

Имплантация, кгс/мм - 131 Исходный Рис. 2. Зависимость предела выносливости сплава от числа циклов нагрузки.

Поверхностное легирование позволяет существенно сни зить расход дорогостоящих материалов, используемых для объ емного легирования в обычной металлургии. Это относится к легированию металлов и сплавов элементами платиновой груп пы. В странах NATO обсуждается вопрос о замене в ряде спла вов объемно-легированного хрома на поверхностное ионное ле гирование, поскольку эти страны импортируют 90% используе мого ими хрома.

Модификация металлических материалов мощными импульсными пучками.

Создание в последние десятилетия ускорителей сильно точных электронных пучков (СЭП) и мощных пучков ионов (МИП) дало уникальную возможность получения новых видов воздействий на материалы концентрированных потоков энер гии.

Использовались низкоэнергетичные (до десятков кэВ) и высокоэнергетичные (несколько Мэв) СЭП с длительностью импульса 10-8-10-6 с, плотностью тока до нескольких кА/см2 и флюенсами до сотен Дж/см2 на импульс. В ионной обработке эффективными оказались пучки легких ионов (кислород, угле род, азот и др.), поскольку их легче получить, и они имеют су щественно большие пробеги, чем тяжелые. Параметры пучков следующие: энергии 0,1-2 МэВ, ток в импульсе 5-50 кА, интен сивности 107-1010 Вт/cм2, флюенсы 1-100 Дж·см-2·имп-1. Такие пучки создают в приповерхностных слоях металлов сверхбыст - 132 рый нагрев и охлаждение со скоростями 108-1011 К/с при мини мальном теплоотводе, которые в сочетании с высокими про странственными градиентами температур 106-107 К·см-1 приво дят к уникальным модификациям свойств.

СЭП и МИП имеют ряд преимуществ перед лазерными пучками: значительный больший КПД, меньшую стоимость по лучения на единицу энергии, большие площади обработки (до 103 см2), высокую степень поглощения в любых материалах.

Радиационные облучения в зависимости от его вида, энер гии частиц, интенсивности и флюенса по-разному влияют на упрочнение металлов. Для сравнения был проведен следующий эксперимент. Из одной заготовки инструментальной стали мар ки Р6М5 были сделаны четыре партии образцов. Первая партия не облучалась. Вторая имплантировалась ионами С+, третья – импульсом мощного рубинового лазера ( = 0,694 мкм ), а чет вертая – МИП. Интегральные флюенсы всех видов радиации подбирались такими, чтобы после облучения микротвердость в приповерхностной области была примерно одна и та же. Резкое отличие Н(x) наблюдалось во всех четырех случаях (рис.3).

Механизм упрочнения сталей после имплантации ионами углерода связан с образованием карбидных фаз на поверхности.

Глубина слоя зависит от пробега ионов с данной энергией ( 0, мкм). В случае лазерного и ионного импульсных облучений уп рочнение на больших глубинах определяется воздействием ударных волн. Тот факт, что при лазерном облучении второй Н, ГПа Х, мкм 40 80 - 133 Рис.3. Распределение микротвердости материалов по глубине.

пик локализован ближе к поверхности, связан с более крутым начальным профилем поглощенной энергии, при котором глу бина проникновения излучения ~ 0,1 мкм, что на порядок мень ше, чем при воздействии МИП. Данный эксперимент подтвер ждает определяющую роль ударной волны в глубинном упроч нении.

Распространение УВ в необлученную область вызывает на микроскопическом уровне сжатие металла, способствует из мельчению его зерен, что повышает его микротвердость с рос том давления. Давление волны по глубине падает, что сначала вызывает уменьшение H. Однако фронт УВ становится круче, градиент давления достигает максимума в области формирова ния фронта УВ. Наиболее интенсивная генерация как собствен ных, так и примесных дефектов происходит в этой области. В металлах типичными являются френкелевские пары дефектов – межузельные атомы и вакансии, которые замедляют диффузию.

В результате предел текучести и микротвердость возрастают.

Одним из эффектов воздействия концентрированных им пульсных радиационных потоков энергии на твердые тела явля ется абляция (выброс) материала, возникающая из-за резкого нагрева вещества в области поглощения излучения и его пере хода в пароплазменное состояние. Абляционная плазма успеш но применяется в технологиях получения тонких пленок и по крытий посредством ее осаждения на специальные подложки, при синтезе наноразмерных ультрадисперсных порошков.

Использование СЭП и МИП для получения АП имеет оп ределенные преимущества по сравнению с лазерным излучени ем:

1) высокий коэффициент поглощения пучков;

2) объемность поглощения, позволяющая значительно увеличить массу АП и тем самым достичь высоких скоростей осаждения (~1 см·с-1), на порядки больших, чем при любых дру гих методах;

3) большие площади облучения;

4) возможность построения одномерной модели процесса и более точного описания взаимодействия частиц с мишенью - 134 5) существенно больший КПД, вследствие чего стоимость получения единицы энергии при использовании МИП на три порядка меньше, чем при лазерном облучении.

§16. Плазменная обработка поверхности материалов. Плазмохимия.

Низкотемпературная газоразрядная плазма – это слабоио низованный газ при давлениях 10-4 – 1 мм рт. ст. со степенью ионизации порядка 10-6 – 10-4 (концентрация электронов порядка 109 – 1012 см-3), в котором электроны имеют среднюю энергию – 10 эВ. Средняя энергия тяжелых частиц плазмы – ионов, ато мов, молекул – на два порядка меньше.

Такая плазма может генерироваться в разрядах, возбуж даемых электрическим полем, в разрядах на низкой частоте ( – 103 Гц), в ВЧ (105 – 108 Гц), и СВЧ (109 – 1011 Гц) разрядах и в электромагнитных полях оптического диапазона (1013 – 1015 Гц).

Плазма молекулярных газов имеет еще и образовавшиеся в ре зультате диссоциации молекул свободные атомы и радикалы.

Эти частицы имеют неспаренный электрон на внешней валент ной оболочке и поэтому проявляют высокую химическую ак тивность, вследствие чего их называют химически активными частицами.

- 135 Из-за присутствия высокоэнергетических электронов в стационарном состоянии концентрация активных частиц в плазме может существенно отличаться от термодинамически равновесной и значительно превышать последнюю.

В образовании ионов и активных частиц в плазме помимо электронов могут принимать участие возбужденные атомы и молекулы, находящиеся главным образом в метастабильном со стоянии. Возбужденные атомы и молекулы выполняют функ цию энергетического катализатора, ускоряя передачу энергии от электронов к частицам газа, и в отличие от обычных катализа торов позволяют получить более высокие стационарные кон центрации ионов, активных частиц и их продуктов. Роль энерге тического катализатора чаще всего играют возбужденные атомы и молекулы добавок к основному газу.

Рекомбинация заряженных частиц и активных частиц мо жет происходить внутри плазмы (гомогенная рекомбинация) и на ограничивающих ее поверхностях (гетерогенная рекомбина ция).

Под процессом очистки материала понимается удаление с его поверхности инородных атомов и молекул. Травление – это удаление поверхностных атомов и молекул самого материала.

Очень часто при очистке наряду с инородными частицами уда ляют несколько монослоев самого материала.

По физико-химическому механизму взаимодействия час тиц плазмы с поверхностью обрабатываемого материала про цессы травления можно разделить на три группы.

1. Ионное травление (ion etching), при котором поверхно стные слои материалов удаляются только в результате физиче ского распыления. Распыление осуществляется энергетически ми ионами (Е=0,12,0 кэВ) газов, химически не реагирующими с обрабатываемым материалом (обычно ионами инертных га зов). Если поверхность обрабатываемого материала находится в контакте с плазмой, то травление называется ионно-плазменным (ИПТ – sputter etching). Если поверхность образца не контакти рует с плазмой, то травление называют ионно-лучевым (ИЛТ – ion beam etching).

2. Плазмохимическое травление (ПХТ – plasma-chemical etching), при котором поверхностные слои материалов удаляют - 136 ся в результате химических реакций. Химические реакции про исходят между активными частицами и поверхностными атома ми с образованием летучих продуктов. Если поверхность мате риала находится в контакте с плазмой, то травление называется плазменным (ПТ – plasma etching). При ПТ химические реакции стимулируются низкоэнергетической электронной и ионной бомбардировками, а также воздействием излучения. Если же поверхность образца не контактирует с плазмой, то травление называется радикальным. РТ осуществляется спонтанно (само произвольно) без стимуляции электронной и ионной бомбарди ровками.

3. Реактивное ионное или ионно-химическое травление (ИХТ – reactive ion etching), при котором поверхностные слои материалов удаляются в результате как физического распыления ионами, так и химических реакций между активными частицами и атомами материалов. При реактивном ионно-плазменном травлении на поверхность образца воздействуют энергетические ионы, свободные атомы и радикалы, электроны и излучение.

При этом процесс физического распыления может как ускорять ся, так и замедляться химическими реакциями.

ПТ и РИПТ происходят в плазме химически активных га зов, и в них поверхность материала подвергается воздействию одинакового набора частиц. В качестве условной границы раз деления этих процессов использовано значение энергии ионов, бомбардирующих поверхность образца. Если Е100 эВ, то трав ление является плазменным, если Е100 эВ, то травление ион но-плазменное.

Основные элементарные процессы, происходящие в газо разрядной плазме: электронное возбуждение, прилипание элек тронов, ионизация, рекомбинация, перезарядка, отлипание элек тронов от отрицательных ионов.

Поскольку энергия электронов значительно превышает энергию тяжелых частиц, скорости процессов диссоциации и ионизации, имеющих большие пороговые энергии, определяют ся, главным образом, электронным ударом.

К рабочим газам, используемым в процессах ИХТ и ПХТ, предъявляются следующие требования:

- 137 обеспечение при разложении в плазме газового разряда максимального выхода энергетичных и химически активных частиц, способных при взаимодействии с обрабатываемым ма териалом образовывать либо стабильные летучие, либо легко распыляемые соединения;

обеспечение требуемой скорости, селективности и анизо тропии процесса травления;

отсутствие токсичности и взрывоопасности, коррозионно го воздействия и загрязнения стенок реактора, внутрикамерных устройств и откачных магистралей, а также деградирующего воздействия на масло вакуумных насосов.

Необходимость травления широкого ассортимента мате риалов вызвала появление большого числа рабочих газов, как однокомпонентных, так и многокомпонентных (обычно число компонентов рабочего газа не превышает трех). В основном для ПХТ и ИХТ материалов используются галогеносодержащие со единения, а также их смеси с кислородом, водородом, азотом и инертными газами.

Название хладона (фреона) связано с его формулой. Об щая формула соединений класса хладон имеет вид CkH Fm(Br)n, где k,, m и n – соответственно число атомов углерода, водоро да, фтора и хлора (брома) в молекуле хладона. Номер хладона записывается как (k – 1)( - 1)(m).

Например, соединение C3F8 хладон – 218. Для идентифи кации галогенизированных углеводородов существуют правила, утвержденные международными соглашениями.

В первом приближении летучесть продуктов реакции можно оценивать по их температурам кипения Ткип при нор мальном давлении, которые приводятся в химических справоч никах. Процессы ПХТ и ИХТ являются низкотемпературными, и температура не превышает 4000С, а в случае использования электронно- или фоторезистивных масок ее стабилизируют на уровне 100-1500С.

Если температура процесса значительно ниже температу ры испарения, то травление невозможно, так как на поверхности материала образуется нелетучее соединение, которое маскирует - 138 материал. Например, алюминий нельзя травить атомами фтора, потому что в результате реакции образуется фторид алюминия с Ткип=12560С. Точно также не травятся никель, хром, медь, маг ний, свинец.

Если материал не образует летучих двухкомпонентных соединений с активными частицами, то необходимо рассмотреть его трехкомпонентные соединения. Например, все галогены хрома нелетучи (Ткип10000С), однако оксихлорид хрома CrO2Cl2 имеет Ткип=1180С. Поэтому травление хрома следует проводить в смеси хлорсодержащего газа и кислорода.

Выбор рабочего газа и состава газовой смеси должен ба зироваться на том, чтобы обеспечить такие важнейшие парамет ры процесса, как скорость vтр, селективность S и показатель ани зотропии А. Селективность травления одного материала относи тельно другого характеризуется отношением скоростей травле ния этих материалов в одинаковых условиях. В отличие от хи мии, в технологии производства интегральных схем анизотро пия определяется как отношение скоростей травления по нор мали и касательной к поверхности материала.

Скорость и селективность травления существенно зависит от вида газа или состава газовой смеси. Для достижения высо кой анизотропии (которая в первую очередь определяет разре шение процесса ПТ) и одновременно обеспечения высокой ско рости травления кремния необходимо использовать рабочий газ, содержащий большое число атомов фтора, и обеспечить интен сивную бомбардировку обрабатываемой поверхности низко энергетичными ионами. Эти требования выполняются, если в рабочий газ добавлен инертный газ и на образец подано отрица тельное напряжение смещения. При ПТ тонких слоев кремния, когда нет необходимости в достижении высоких скоростей травления, целесообразно использовать хлорсодержащие газы, обеспечивающие высокую анизотропию, которая растет с уве личением числа атомов хлора в молекуле рабочего газа.

Добавка кислорода в ССl4 существенно изменяет скорость ПХТ хрома. В чистом ССl4 скорость ПХТ очень мала, что связа но с низкой концентрацией активных частиц и образованием полимерных пленок на поверхности хрома при диссоциации в плазме ССl4. Добавка кислорода (до 40-50%) резко увеличивает - 139 скорость ПХТ хрома, что связано с удалением полимерных пле нок с поверхности хрома с образованием СО и СО2. Кроме того, увеличивается число активных частиц в виде атомов хлора и кислорода, которые, взаимодействуя с хромом по реакции Cr + 2O + 2Cl CrO2Cl2, образует летучий оксихлорид хрома. Однако, когда количество кислорода в смеси превышает 50%, поверхность хрома быстро окисляется, в результате чего скорость ПХТ хрома резко снижа ется.

При добавлении в ССl4 азота увеличивается концентрация электронов и энергия ионов. При этом понижение концентрации ССl4 компенсируется увеличением скорости диссоциации ССl4 с образованием активных атомов хлора. Молекулы азота возбуж даются в разряде и вступают в реакцию с фрагментами хлорида углерода, образуя стабильное соединение СN и препятствуя тем самым осаждению пленок углерода. Химическая реакция между углеродом и азотом замедляет рекомбинацию атомов хлора с ненасыщенными хлоридами углерода, в результате чего ско рость травления алюминия при добавлении нескольких десятков процентов азота в ССl4 не только не снижается, но даже не сколько возрастает.

Плазменное травление.

В основе ПТ лежат, активируемые излучением плазмы, электронами и ионами, гетерогенные химические реакции меж ду свободными атомами, радикалами и поверхностными атома ми обрабатываемого материала.

Активирующее воздействие электронов и ионов зависит от энергии, с которой они бомбардируют поверхность. Эта энер гия, в свою очередь, зависит от потенциала поверхности относи тельно плазмы. Если обрабатываемая деталь изолирована, то ее плавающий потенциал обычно не превышает нескольких десят ков вольт. Разность потенциалов между плазмой и образцом не может обеспечить заряженным частицам энергию, необходимую для физического распыления. В то же время энергия ионов, электронов и фотонов достаточна для разрушения химической связи между поверхностными атомами материала, активации - 140 химических связей и стимулирования процессов десорбции об разующихся продуктов.

Процессы плазменного травления реализуются как в ци линдрических реакторах с расположением подложек в кассетах в объеме плазмы, так и в реакторах диодного типа, в которых подложки размещаются на плоских электродах. Широкое рас пространение получили системы с магнитным полем и СВЧ – разрядами (рис.1) Плазменное травление широко используется в тех случа ях, когда не требуется высокое разрешение (для снятия и удале ния остатков фоторезиста, для плазменного задубливания рези ста с целью улучшения его термостойкости и др.). ПТ является также основным методом сухого проявления органических и неорганических резистов после их экспонирования ультрафио летовым и рентгеновским излучением. С помощью ПТ можно производить травление пленок кремния и его соединений, фос форно- и боросиликатного стекла, органических материалов, углерода, хрома, титана, тантала, ниобия, вольфрама, молибде на, ванадия, золота и других материалов. В производстве инте гральных схем ПТ применяется для получения конфигураций с шириной линий около 3 мкм. Изотропность и неоднородность ПТ не позволяет применять этот метод в тех случаях, когда под травливание под край маски дает существенный вклад в общую ширину линий.

Из систем плазменного травления перспективными явля ВЧ 2 Газ а) Откачка ВЧ 2 - 141 Газ Откачка б) Рис.1. Планарный (а) и магнетронный (б) реакторы для плазменного травления:

1-вакуумная камера;

2-обкладка конденсатора;

3-образцы;

4-постоянный магнит.

ются планарные реакторы триодного и магнетронного типа, в которых можно получить независимые режимы ПТ и реактивно го ионно-плазменного травления и одновременно осуществить оба режима, что позволяет изменять параметры процесса трав ления в требуемом направлении.

Реактивное ионно-плазменное травление.

При проведении РИПТ обрабатываемые образцы нахо дятся в контакте с плазмой и размещаются на электроде, под ключенном к источнику ВЧ-напряжения. Удаление материала происходит как за счет физического распыления ускоренными ионами активных газов, так и в результате химических реакций между свободными атомами и радикалами, образующимися в газоразрядной плазме, и поверхностными атомами. Газоразряд ная плазма стимулирует процессы, происходящие как в газовой фазе, так и на поверхности твердого тела. При этом физическое распыление активирует поверхность материала, повышая ско рость химических реакций, которые, в свою очередь, ослабляют химические связи поверхностных атомов.

Физические и химические процессы при РИПТ складыва ются неаддитивно, то есть количество материала, удаленного при одновременном протекании обоих процессов, намного больше суммы количеств материалов, удаленных с помощью каждого процесса.

В низкотемпературной плазме степень ионизации обычно не превышает десятых долей процента, тогда как концентрации активных незаряженных частиц может достигать нескольких - 142 десятков процентов. Поэтому в случае высокой химической ак тивности незаряженных частиц и образования в результате гете рогенных реакций летучих стабильных соединений, свободные атомы и радикалы вносят основной вклад в РИПТ материала.

Однако при низкой химической активности частиц к обрабаты ваемому материалу или при образовании нелетучих продуктов реакции основной вклад в РИПТ материала вносит процесс фи зического распыления.

Ограничения планарных диодных ВЧ-систем, связанные с радиационными повреждениями поверхностных слоев обраба тываемых материалов и низкой стойкостью органических масок вследствие высокоэнергетической ионной бомбардировки, при вели к созданию триодных и магнетронных систем (рис.2).

В триодной системе вблизи катода, на который подано ВЧ-напряжение, помещена электрически изолированная от ка тода сетка, находящаяся под плавающим потенциалом. При этом образуется полый анод, в котором плотность ионов увели чивается в несколько раз и одновременно в 4-5 раз снижается напряжение автосмещения на катоде. Кроме того, малое рас стояние между сеткой и катодом (15 мм) обеспечивает возмож ность стабильного горения тлеющего разряда при напряжении автосмещения 20 В. Характерные для триодной системы высо кие скорости травления в сочетании с низкими энергиями ионов позволяют значительно уменьшить радиационные дефекты в структурах. Это очень важно, например, при травлении пленок Si3N4 через оксидные маски при изготовлении ИС на структурах Газ 4 ВЧ Откачка - 143 Рис.2. Триодная система для РИПТ:

1-вакуумная камера;

2-заземленный электрод;

3-ВЧ-электрод;

4-образец;

5-сетка.

металл-нитрид-оксид-металл.

Травление алюминия не позволяет обеспечить полностью замкнутый цикл “сухого” травления всех материалов, исполь зуемых в производстве ИС. Причиной является образование на сыщенных хлором полимерных пленок, снижающих воспроиз водимость процесса, разъедающих создаваемую структуру по сле травления и с трудом удаляемых даже в кислородной плаз ме. Было установлено, что добавка к ССl4 азота (в количестве до 70%), не снижая скорости и равномерности травления, обеспе чивает достаточно высокую селективность (до 15 по отношению к SiO2), хорошую анизотропию и полностью устраняет образо вание полимерной пленки. Проведенные масс - спектроскопиче ские и зондовые измерения показали, что по мере увеличения содержания азота возрастает плотность плазмы, повышается энергия ионов, что существенно изменяет характер травления алюминия, в котором основную роль начинают играть высоко энергетичные ионы, обеспечивающие высокую анизотропию травления.

В настоящее время существует тенденция перехода от ус тановок с групповой обработкой пластин к индивидуальной.

Индивидуальная обработка позволит повысить эффективность использования энергии, материалов и реагентов и увеличить выход годных структур за счет более воспроизводимых и кон тролируемых условий обработки в рабочих камерах, имеющих малый объем.

- 144 §17. Получение тонких пленок в вакуумных условиях.

Тонкие пленки различного химического состава широко используются во многих областях науки и техники. Это про светляющие покрытия, зеркала, интерференционные фильтры, солнечные очки, декоративные покрытия на пластиках и тканях, люминофоры в электронно-лучевых трубках, элементы в микро электронных схемах.

Вакуумное осаждение тонких пленок состоит из несколь ких процессов: 1) переход вещества из конденсированной фазы, которая может быть твердой или жидкой, в газообразную;

2) перенос паров вещества в пространстве от испарителя до под ложки при пониженном давлении;

3) конденсация паров веще ства на подложке. Качественное проведение процесса испарения и его практическое использование для получения пленок требу ют привлечения сведений из различных дисциплин.

В простейшей модели процесса испарения конденсиро ванная фаза рассматривается как система осцилляторов, поверх ностные молекулы которых связаны определенной энергией ис парения. Переход в газообразную фазу происходит тогда, когда энергия колебаний молекул на поверхности равна или превос ходит энергию испарения.

Однородность получаемой пленки при испарении опреде ляется пространственным распределением молекул в потоке. В случае идеальной ячейки Кнудсена, состоящей из изотермиче ской оболочки с бесконечно малым отверстием и бесконечно тонкими стенками этого отверстия, число частиц, попадающих внутрь телесного угла d, определяется выражением d dN = N 0 cos, (1) где N0 – исходная плотность потока, – угол между направле нием испарения и вертикалью. Уравнение (1) представляет со бой косинусоидальный закон распределения, который эквива лентен закону Ламберта в оптике. Согласно этому закону, испа рение вещества происходит не равномерно во всех направлени - 145 ях, а преимущественно вдоль нормали к испаряемой поверхно сти.


Термическое испарение.

Для проведения процесса испарения вещества в вакууме необходимо иметь испаритель, который содержал бы в себе ис паряемое вещество и поддерживал его при температуре, доста точной для получения требуемого давления паров. Для прибли зительной оценки рабочих температур испарителей обычно ос новываются на необходимости иметь установившееся давление паров материала порядка 10-2 мм рт. ст. Для большинства мате риалов, представляющих практический интерес, эти температу ры находятся в пределах 1000-20000С. Во избежание загрязне ния осаждаемых пленок, вещество испарителя должно иметь при рабочей температуре незначительную упругость пара и дав ление диссоциации. Материалами, отвечающими этим требова ниям, являются тугоплавкие металлы и окислы. Образование сплава из материала испарителя и рабочего вещества часто со провождается значительным уменьшением температуры плав ления, что может привести к быстрому разрушению испарителя.

В результате химических реакций образуются легко испаряю щиеся соединения, такие как низшие окислы, которые загряз няют пленку.

Простейшие конструкции испарителей различных типов из проволоки и металлической фольги с джоулевым нагревом показаны на рис. 1.

В качестве материала наиболее широко применяется Дуга Корзина Лодочка Рис. 1. Конструкции термических испарителей.

вольфрам, молибден и тантал. Эти металлы становятся хрупки ми после нагревания в вакууме и, особенно, в случае образова ния сплава с рабочим веществом. Расплавленный металл пони - 146 жает температуру испарителя. Этого можно избежать, если ис паритель покрыть слоем окисла, например, алюминия. Расплав ленные металлы не смачивают поверхность Al2O3, а образуют сферические капли.

Такие элементарные вещества, как Cr, Mo, Pd, V, Fe и Si имеют давление паров10-2 мм рт. ст. до их плавления и, следова тельно, они могут быть сублимированы. Если исключить элек тронно-лучевое испарение, наиболее чистые пленки кремния получаются путем сублимации. Сублимация титана находит широкое применение в вакуумной технике для поглощения хи мически реактивных газов. В тех случаях, когда необходимо o получить пленки толщиной 1000 A и более, скорости сублима ции оказываются слишком малыми. По этой причине сублима ция металлов не находит широкого применения. Исключение из этого правила составляет хром, так как давление паров 10-2 мм рт. ст. у хрома достигается при температуре на 5000С ниже точ ки плавления. Наиболее простая конструкция состоит из танта ловой лодочки с помещенными в нее кусочками хрома.

Когда для нанесения пленки требуется значительное ко личество расплавленного металла (несколько граммов и более), применяются тиглевые испарители. Так как расплавленный ме талл контактирует с тиглем в течение длительного времени, подбор термически стабильных и незагрязненных материалов должен проводиться очень тщательно. Совместимость испаряе мого вещества с тугоплавким металлом тигля может быть оце нена с помощью изучения фазовых диаграмм обоих материалов.

Комбинация металлов должна иметь очень низкую взаимную растворимость и тугоплавкую эвтектику.

Керамические тигли, применяемые для вакуумного испа рения, обычно спекаются из порошка с чистотой не менее 99,8% и имеют малую пористость. Толщина стенок тиглей составляет 1-3 мм, поэтому желательно, чтобы материал имел высокую удельную теплопроводность, необходимую как для передачи тепла, так и для устойчивости к термоудару. Тигли из окислов металлов обычно нагреваются за счет излучения от нити нагре вателя из тугоплавкого металла. Испаритель должен быть окру - 147 жен радиационными экранами, так как нагреватель излучает малую долю энергии в направлении тигля.

Ряд боридов, карбидов, силицидов и нитридов обладают очень высокой термостойкостью. Один из этих материалов – нитрид бора (BN) – используется для изготовления тиглей. Это диэлектрический материал белого цвета, имеющий структуру, аналогичную графиту. Подобно графиту, нитрид бора относи тельно мягкий материал, легко обрабатываемый механическим инструментом. Наиболее важным применением тиглей из нит рида бора является их использование для испарения алюминия, так как они не подвергаются значительному разъеданию рас плавленным алюминием. Нагрев тиглей производится индукци онным способом.

Другим материалом, который часто используется в каче стве испарителей для металлов, является графит. Он термостоек;

легко обрабатывается, что позволяет изготавливать тигли про извольной формы;

не смачивается рядом металлов.

Электронно-лучевое испарение.

Для испарения можно также использовать нагрев мате риалов электронной бомбардировкой. Для этого поток электро нов ускоряется в электрическом поле до энергии от 5 до 10 кэВ и фокусируется на поверхности материала. При столкновении большая часть кинетической энергии частицы превращается в тепловую энергию, и при этом могут быть получены температу ры свыше 30000С. Так как энергия передается заряженными час тицами, то она может быть сконцентрирована только на поверх ности испаряемого вещества, в то время как сам испаритель ос тается при более низкой температуре. Следовательно, сильно уменьшается взаимодействие между испаряемым веществом и материалом испарителя.

В электронно-лучевых испарителях применяются элек тронные пушки. В качестве источника электронов обычно ис пользуется катод из вольфрамовой проволоки. Через отверстие в аноде электроны попадают в зону испарения. Для уменьшения потерь энергии давление в вакуумной камере должно быть ниже 10-4 мм рт. ст.

- 148 Испарители с испаряемым анодом имеют катод в виде проволочной петли, расположенной вблизи испаряемого веще ства. Электроны, двигаясь по радиально сходящимся траектори ям, бомбардируют материал. Одно из таких устройств схема тично показано на рис. 2.

Пар Испаряемый Фокусирующий материал электрод Катод Охлаждение Рис.2. Схема испарителя с нагреваемым анодом.

Электронные пушки с независимым анодом аналогичны пушкам, использующимся в рентгеновских трубках. В качестве источника электронов используется небольшая спираль или изо гнутая под острым углом петля из вольфрамовой проволоки.

Грубая фокусировка осуществляется посредством электростати ческой системы. Область пространства между анодом и рабочей зоной эквипотенциальна. Длиннофокусные пушки этого типа с успехом применялись для испарения тугоплавких материалов BN и Ta с температурами испарения, превышающими 30000С.

Использование искривленных траекторий электронов по зволяет эффективно разделить на малом расстоянии электрон ную пушку и источник паров. Хотя катод и находится вблизи испарителя, однако он расположен в стороне и экранирован для защиты от испаряемого материала и от разрушения ионной бом бардировкой. В зависимости от степени теплового контакта ме жду медным основанием и испаряемым веществом могут быть достигнуты температуры вплоть до 35000С, что позволяет испа рять как тугоплавкие металлы, так и окислы.

- 149 Перечисленные выше способы испарения вещества обла дают общим недостатком: поток пространственно неоднороден, что и затрудняет получение пленок большой площади. Газовые разряды между плоскими электродами (диодные системы) с вы сокочастотным или постоянным напряжением позволяют суще ственно расширить площадь обработки, а также сохранить сте хиометрию распыляемого вещества. В системах катодного рас пыления катод является рабочим веществом и подвергается бомбардировке ионами нейтрального газа (как правило, аргона) (рис. 3).

I / I Атом _ e Ar+ Подложка + R б) а) Рис.3. Схема катодного распыления а) и зависимость скорости распыления от радиуса б).

Система на постоянном токе (рис. 3,а) применима для проводящих материалов. Она дает достаточно однородное рас пределение распыленного вещества (рис. 3,б). Недостатком это го способа является перегрев подложек электронами разряда при его высокой мощности. Электронный поток на анод можно существенно ограничить за счет поперечного магнитного поля (рис. 4).

I / Io N S N S _ Ar+ + R б) а) - 150 Рис. 4. Схема магнетронного распыления а) и зависимость скорости распыления от радиуса б).

Магнитное поле может быть создано, например, системой постоянных магнитов чередующейся полярности, расположен ных за катодом (рис. 4,а – система магнетронного распыления).

Поперечное магнитное поле также существенно увеличивает плотность плазмы разряда особенно в области максимумов по ля. Последнее обстоятельство приводит к неоднородному рас пределению распыленного вещества (рис. 4,б). Скорость распы ления также возрастает.

Для систем катодного распыления также характерна бо лее высокая адгезия пленок к подложке. Это связано с тем, что при бомбардировке катода ионами аргона атомы мишени выле тают со скоростями до двух порядков большими, чем при тер мическом испарении. Если в диодных системах использовать высокочастотное напряжение, то катод можно изготавливать и из диэлектрического материала.

Задачей вакуумного осаждения почти во всех случаях яв ляется получение пленок с заданными параметрами. Если наи более важны внешние параметры пленок, такие как их толщина или поверхностное сопротивление, то достаточно определить момент времени, когда этот параметр достигнет необходимой величины, и прекратить процесс испарения. Однако внутренние параметры пленки, такие как: плотность, удельное сопротивле ние, механическое напряжение – зависят от величины потока испаряемого вещества. Поэтому часто бывает необходимо под держивать определенную скорость осаждения. Устройства, с помощью которых проводят измерения в процессе испарения, делятся на две категории: датчики толщины и датчики скорости испарения.


Датчики с кристаллическими резонаторами для измерения толщины пленки имеют относительно простую конструкцию, не боятся механических ударов и вибраций. В датчике используют пьезоэлектрические свойства кварца. Резонатор представляет собой тонкую пластинку кварца, к обеим поверхностям которой подведены электрические контакты. Такой резонатор включает - 151 ся в электронную схему генератора. Приложение переменного электрического поля приводит к возникновению колебаний кварцевой пластины по толщине. Резонансная частота этих ко лебаний обратно пропорциональна толщине пластины d fо = c / 2d, (2) где с – скорость распространения упругих волн в направлении толщины пластины. Рабочие поверхности пластины не являются узловыми.

При осаждении малой дополнительной массы М на одну сторону пластинки, рабочие поверхности кристалла по прежнему останутся в пучности колебаний. Следовательно, осажденное вещество влияет на резонансную частоту только через массу, а параметры вещества, такие как плотность и упру гие постоянные, оказываются несущественными. Для сдвига резонансной частоты колебаний получено выражение NM f =, (3) d 2 S где – плотность кварца, S – площадь электродов, N=1, Гцмм. Кристаллы толщиной порядка 0,3 мм с начальными час тотами 5-6 МГц наилучшим образом удовлетворяют противоре чивым требованиям высокой чувствительности и возможности измерять количество вещества в широком диапазоне.

На рис. 5 приведена конструкция держателя кристалла.

Для измерения скорости испарения вещества используется принцип ионизации молекул электронным ударом. Этот способ Ввод Уплотнение Кварцевая Охлаждение пластина Пар - 152 Рис. 5. Конструкция кварцевого измерителя толщины.

аналогичен измерению давления ионизационным манометром.

Одна из конструкций показана на рис. 6.

Подложка Сетка Катод Коллектор Испаритель ионов Рис. 6. Конструкция измерителя скорости испарения.

Между катодом и сеткой прикладывается напряжение 150-200 В, на коллектор – отрицательное напряжение 20-30 В.

Ток ионов пропорционален концентрации пара рабочего вещества. Необходимо учитывать, что вклад в ионный ток будет оказывать и остаточный газ вакуумной системы. Для этого можно поместить в камеру еще один такой же датчик, закрытый от испаряемого вещества и измеряющий только ионный ток ос таточного газа.

- 153 Приложение Формула Лэнгмюра.

О предельно достижимой плотности тока при фокусировке электронных пучков.

Рассмотрим задачу о фокусировке электронного пучка ка кой–либо линзой при учете начальной температуры электронов.

Электроны стартуют с поверхности катода, имея тепловой разброс скоростей, и под действием полей линзы движутся к оси системы. Как видно из рисунка, тепловой разброс скоростей электронов приводит к увеличению размера фокусного пятна.

n n Rс Rк к 1 Ru a b Известное в световой оптике уравнение Лэнгмюра Лагранжа применимо и в корпускулярной оптике Rkn1tg1=Run2tg2.

По чертежу можно получить выражения Rc=btg, Ru=btg.

Rkn1sin1=Run2sin2=btgn2sin2, Rkn1sin1=Run2tg, Rk n1 sin 1 Rk sin 1 U o Rc = =, n 2 tg tg Uc Uo (sin 1 1, eU o = 2kT ).

Rc,max = a Uc - 154 Воспользуемся распределением Максвелла для электро нов eU eU kT eU N (U )dU = N 0 e d.

kT kT Полный ток с катода j = eNo (No – число частиц с 1 см в телесный единичный угол).

Эмиссия электронов подчиняется закону Ламберта. Ток в телесный угол от до +d равен dI=2SNesincosd, где S - площадь катода. Здесь учтена связь между телесным и плоским углами = 2 (1 cos ) = 4 sin 2.

В кольцевую зону кроссовера от Rc до Rc+dRc будет попа дать ток dI1=2SN1esin1cos1, где N1 – число частиц с энергиями от eUo до e(Uo+dUo).

Плотность тока в кольцевой зоне SN 1e sin 1 cos 1 d dI j R1 = =, d (Rc ) Rc dRc R Uo R Uo dRc = k cos 1 d 1, Rc dRc = k 2 sin 1 cos 1 d 1, tg tg U c Uc SN 1e sin 1 cos 1 d 1 SN e U c j R1 = = 21.

2 Uo a Uo sin 1 cos 1 d a Uc В данную кольцевую зону будут попадать только частицы с энергиями, большими Uo. Поэтому нужно про извести интегрирование от Uo до eU eU kT eU eS U c eSU 2 No jR = N (U )dU = 2 c e d.

a Uo U o kT kT a Uo Uo - 155 eU Произведем замену переменных x =.

kT eSU eSU c N o x xe dx = jR = 2 c e ( x 1) ] = x a 2U o a Uo xo xo eU eSN oU c kTo eU o = 2 1.

e kT a Uc Rc 2 Uo получим U o = 2 U c Из выражения Rc = a и Uc a произведем замену в предыдущей формуле.

2 eSNoU c eUc Rc kTc ac2 eSNo eUc Rc kTc ac eU R eU R 2 1 + e = 2 1 + e jR =.

kT a 2 Rc kT a 2 Rc U c a a eSN o eU c При Rc=0 j o = 1 +.

a2 kT R Сделаем замену a = k.

tg SeN o eU c eSN o eU c sin = sin.

jo = 1 + 1 + Rk kT kT Rk eU c sin.

j o = j k 1 + kT Это выражение называется формуой Лэнгмюра.

Для источников заряженных частиц вводится понятие яр кости источника. Эта величина равна отношению плотности то ка эмиссии к телесному углу, внутри которого распространяется пучок jo =.

- 156 Для малых углов = 2 sin 2 2, где – половин ный плоский угол. Тогда jo =.

Согласно формуле Лэнгмюра j kT eU eU, 2 = o jo = j k 1.

kT j k eU kT j eU = k, kT где Т – температура катода.

Никакая фокусирующая система не может увеличить яр кость источника, соответствующую поверхности эмиттера, хотя плотность тока в кроссовере пучка может быть значительно увеличена.

- 157 Вычисление пробега ионов при их взаимодействии с ядрами и электронами мишени.

(К теме “Взаимодействие ионов с веществом”) Eo E dE 2kdE o = R=, 1 / 2k + k E 1 + 2kk E 1 / 1/ 0 где Ео – начальная энергия ионов до входа в вещество.

Для интегрирования по частям сделаем замену перемен ных kk dE ( ) v = ln 1 + 2kk E 1 / 2, dv =, ( ) 1 + 2kk E 1 / 2 E 1 / 1/ E dE u=, udv =.

kk 1 + 2kk E 1 / E1/ 2 E 1 / Eo ln(1 + 2kk E 1 / 2 ) ] ln(1 + 2kk E 1 / 2 )d Eo kk = R = 2k kk 1/ 2 ( ) Eo ln(1 + 2kk E1/ 2 )d (1 + 2kk E1/ 2 ).

E = 2k o ln 1 + 2kk Eo 1/ kk 2(kk ) 0 Используем формулу табличного интеграла lnxdx = xlnx x.

( ) E 1/ R = 2k o ln 1 + 2kk Eo1 / 2 kk 2(kk ) Eo ( )( ) Eo 1 + 2kk E1 / 2 ln 1 + 2kk E1 / 2 ] 1 + 2kk E1 / 2 ] = ( ) E 1/ = 2k o ln 1 + 2kk Eo1 / 2 kk 2(kk ) [( )ln(1 + 2kkE ) (1 + 2kkE )+ 1]}= 1 + 2kk Eo1 / 2 1/ 2 1/ o o - 158 ( ) 2k 1 / 2 1/ Eo ln 1 + 2kkEo = kk 2kk [( )ln(1+ 2kkE ) (1+ 2kkE )+1]}= 1 + 2kkEo1 / 2 1/ 2 1/ o o { ( )( ) 2k 2kk E o 1 / 2 ln 1 + 2kk E o 1 / 2 1 + 2kk E o 1 / = 2(kk ) ( )( ) 1}= ln 1 + 2kk E o 1 / 2 + 1 + 2kk E o 1 / {( )( ) }.

ln 1 + 2kk E o + 1 + 2kk E o 1/ 2 1/ = kk ( ) 1/ 2 Eo ln 1 + 2kk E o.

1/ R= k kk Мы получили выражение (5) из параграфа 11.

- 159 Приложение Задачи по курсу “Плазменная и пучковая технология”.

Задача 1.

Какая напряженность электрического поля должна быть создана вблизи поверхности катода, нагретого до температуры 2000 К, чтобы увеличить ток термоэлектронной эмиссии с его поверхности в 2,72 раза?

0, 44 E По теории Шоттки j = j o e, T 0, 44 E j 0,44 E = = 2,72 = e, = 1, e T jo T T E= = 2,1 10 7 В / м = 2,1 10 5 В / см.

0, Задача 2.

Оценить величину электрического поля, при котором име ется интенсивная автоэлектронная эмиссия из вольфрама. Счи тать, что эта эмиссия будет значительной, если ширина потен циального барьера соизмерима с длиной волны де Бройля элек тронов (L3e). Плотность вольфрама 19,1 г/см3, атомная масса 184, работа выхода 4,52 эВ.

1/ 2 2/ 2 3 h2 h v= = EF = e =,,, 8m m me v 5 2me e a 2/3 1/ 3 3 h2 2 h 0,6.

v= = 8m 8m me 2m e 5 me a e - 160 1/ 8 0, 1 h e = = = 0,6 3 19,110 6 1/ 3 3 h 0, 8m me me e 1/ 8 0,184 0, = 6,6 1010 м.

= = 0,610 18 1, 0, Если энергию электронов считать равной энергии Ферми, то в знаменателе нужно пренебречь величиной 0,6. Тогда е=5,110-8 см.

A 4, A = eEL = eE3e ;

E= = = 2,95 107 В / см.

e3e 3 5,1 10 Задача 3.

Передача энергии при неупругом соударении частиц.

Может ли ион лития, обладающий кинетической энергией 60 эВ, ионизировать атом гелия при столкновении? Потенциал ионизации гелия равен 24,5 В.

Кроме закона сохранения энергии нужно еще учитывать закон сохранения импульса.

2 m1u 2 m2 v m1u o m2 v o + = + + Eп, 2 2 2 где Еп – потенциальная энергия возбуждения при неупругом ударе.

r r r r m1u o + m2 vo = m1u + m2 v.

Если нейтральная частица покоится, то vo=0.

rr r m1 (u o u ) v=, m 2 m u2 m r r m1u o = 1 + 1 (u o u ) 2 + E п.

2 2 2m - 161 Потенциальная энергия Еп зависит от скорости u, которую ион сохранит после столкновения. Наибольшее значение Еп можно определить из условия dEп/du=0.

m m1u + 1 (u o u ) = 0, m2 u + m1u o m1u = 0, m m1 m u= u o, E п. max = E o.

m1 + m2 m1 + m m1 = 7m p, m2 = 4m p, E п. max = 60 = 21,8 эВ.

4+ Ионизации атома гелия не будет.

Задача 4.

Деионизация за счет диффузии и захвата электронов молекулами электроотрицательного газа.

В сосуде между двумя плоскими стенками на расстоянии d=1 см находится смесь азота (парциальное давление p1=100 мм рт. ст.) и кислорода (p2=0,3 мм рт. ст.). Температура газа Т= К. Количество свободных электронов, находящихся в термоди намическом равновесии с газом, незначительно. Определить, какой процесс будет играть преимущественную роль в убыва нии числа электронов – диффузия на стенки или захват электро нов молекулами кислорода.

Роль каждого процесса можно оценивать по времени жиз ни свободного электрона. Так как электронов мало, то их диф фузия будет не биполярной, а обычной.

Вычислим коэффициент диффузии:

e ve ve 1 8kT D= = = = 3Q1 p1 3Q1 p1 me 8 1,38 10 23 = = 0,128 м 2 / c.

9,110 3 2800 - 162 При вычислениях было учтено, что для азота эффективное сечение ионизации Q1=2800.

Время диффузии определяется из выражения 10 d2 d d = 0,98 10 4 c.

td =, где l =. t d = = 8 D 8 1,28 8D Среднее время захвата электрона молекулой электроотри цательного газа (кислорода) tз =, wз з где wз – вероятность захвата электрона молекулой кислорода, з– частота столкновений электронов с кислородом.

з = Q2 p 2 v e, wз = 2,5 10 5, Q2 = 3000.

1 = 4,1 10 4 c.

tз = = wз Q2 p2 ve 2,5 10 3 10 0,3 1,07 3 Так как время диффузии меньше времени захвата элек трона молекулой кислорода, то убывание числа электронов бу дет определяться их диффузией.

Задача 5.

Рекомбинация ионов в воздухе.

За счет естественной радиоактивности в воздухе происхо дит в среднем 107 ионизаций за 1 секунду в 1 м3. Какова будет равновесная концентрация положительных и отрицательных ионов? Каково среднее время жизни иона?

Образующиеся при ионизации электроны быстро захваты ваются молекулами кислорода с образованием О-2. Эти ионы рекомбинируют с положительными ионами. Скорость иониза ции определяется выражением Zi=рnр2, где zi – скорость ионизации, р – коэффициент рекомбинации, nр– концентрация ионов.

При атмосферном давлении р=1,610-6 см3/с.

- 163 10 zi = 2,5 10 9 м 3.

np = = p 1,6 np np 2,5 10 = = = = 250 с.

dn 10 zi dt p Задача 6.

Упругие потери энергии электрона в нейтральном газе.

Схема измерений потерь энергии при прохождении элек тронов через газ представлена на рисунке.

+U Колл.

А К 1 Расстояние между катодом и коллектором 1 см, потенциал сеток U=18 В, давление рабочего газа – гелия – р=1,2 мм рт. ст.

Какова будет энергия электронов, прошедших через сетку 2?

В данном случае неупругих столкновений быть не может, так как энергия возбуждения гелия составляет 19,8 эВ.

Если число столкновений между сетками 1 и 2 равно N, то у сетки 2 электроны будут иметь энергию E E = E NE, то есть E = NE.

4 Mme 2me = =.

Коэффициент аккомодации ( M + me ) M Полный путь частицы N, время движения от катода до N коллектора =.

v - 164 v l 2 = 2 D, D =.

По закону Эйнштейна v N 3 l2 3 2 2 = N, N = l =2 = l Q = ( l Qo p ) 2 = 2 3v 3 2 = (10 2 1,35 10 3 1,2) 2 = 393. (Qo=1350).

2 9,1 10 E = NE = 393 18 = 1,9 эВ.

4 1,67 10 Е – Е =18 – 1,9 =16,1 эВ.

Задача 7.

Производительность ионного источника.

Ионы создаются между двумя параллельными пластинами электронным пучком и извлекаются через отверстие в одной из них. Расстояние между пластинами 1,5 см;

плотность тока элек тронов, распространяющихся параллельно пластинам, je= A/см2, их энергия 200 эВ;

давление рабочего газа – аргона – 1,1610-4 мм рт. ст. Определить ток ионов через отверстие диа метром 5 мм при нулевой разности потенциалов между пласти нами.

l d Ie Будем считать, что из отверстия выходит половина обра зовавшихся ионов.

je j = Qo p e.

Число образовавшихся ионов в 1 м3 за 1 с Qi e e При We=200 эВ Qo=103 м-1.

- 165 je l l V = Qo pj e S = Qo pj eR 2 = Ионный ток i = eQo p e 2 =1031,1610-41020,7510-22,5210-6=1,7 мкА.

Задача 8.

Получение ионов поверхностной ионизацией.

В цилиндрическом диоде вольфрамовый катод имеет диа метр нити 0,05 мм и длину 5 см, его рабочая температура К. Диод прогрет до температуры 85оС, диаметр анода 5 мм, ра бочий газ – насыщенные пары цезия.

Определить величину ионного тока на анод и потенциал анода, необходимый для полного отбора тока.

Давление насыщенных паров цезия, полученных из жид кой фазы, определяется по формуле 4041 lg p = 11,05 1,35lgT = 11,05 1,35lg 358 = 3,7.

T (Т=358 К).

р=10 =210 мм рт. ст.=2,6610-2 Па.

-3,7 - Считаем, что каждый атом цезия, падающий на нить, ухо дит с нее в виде иона. Тогда ионный ток будет равен 1/ e pD l p 8 kT D l = i = eN = en a v a S = e = kT M 2 kTM 1,6 10 19 3,14 2,66 10 2 5 10 5 5 10 = 4 10 4 A.

= (6,28 1,28 10 23 358 133 1,67 10 27 )1 / 8kT v=.

Мы воспользовались формулой M Для цилиндрического диода 1/ 8 o 2e 3/ R Ua l, 2 = f = 1,0782.

i= R 2R 9 m k - 166 2/ 2/ 9i R 9 1, Ua = = = 81 В 2e 12 2 6,28 8,8510 10 1, 1/ 8o l m Задача 9.

Прохождение электронов сквозь слой металла.

Зависимость энергии электрона от глубины проникнове ния в металл-закон Вуддингтона:

E 2 ( x ) = E 0 x, где E 0 - начальная энергия электрона, константа вещества.

Какова толщина медной фольги, которую может простре лить электронный пучок с энергией 50 кэВ?

Для меди = 1,211014 эВ2/м.

25 10 E E (x ) =0 = 2,07 10 5 = 20,7 мкм.

x= = 1,21 10 Какой будет энергия пучка на глубине 10 мкм?

E = E0 x = 25 108 1,211014 10 5 = (2,5 1,21) = = 3,6 10 4 B = 36 kB.

Скорость уменьшения энергии электрона с расстоянием будет определяться выражением dE = =.

2 E (x ) dx 2 E 0 x Из выражения следует, что энергия больше всего теряется в конце пробега.

- 167 Задача 10.

При какой энергии электронов пучка коэффициент вто ричной электронной эмиссии будет максимальным?

Выход электронов будет максимальным при равенстве глубины проникновения пучка длине свободного пробега вто ричных электронов.

Для меди длина свободного пробега вторичных электро нов составляет = 10 8 м.

E =x=, E 0 = = 1,21 1014 10 8 = 1,1 10 3 В = 1,1 кВ.

Для меди потеря энергии на единичный акт взаимодейст вия с решеткой E = 19 эВ.

Задача 11.

Разрушение пленочного катода.

В тетроде катод из торированного вольфрама работает при температуре 2100 К, расстояние между катодом и сеткой dк.с.= мм, а расстояние между сеткой и анодом dк.а.= 10 мм. Потенциал сетки равен потенциалу анода и составляет U = 300 В, плотность тока эмиссии катода jэ = 103 А/м2, давление остаточного газа в лампе p = 10-6 мм рт.ст.

Сравнить скорость разрушения пленки тория за счет теп лового испарения атомов и катодного распыления.

Скорость теплового испарения определяется выражением N n исп. = 1 exp( E / kT ), где Е – энергия испарения;

N1 – число частиц на 1 м2, образую N щих мономолекулярный слой;

= - степень покрытия:;

0 N период тепловых колебаний атомов решетки.

Коэффициент катодного распыления - 168 nвыб.

= = А( E1 E 0 ), n пад.

где А= 10-3 – константа, Е0 – пороговая энергия катодного рас пыления.

nвыб.= nпад. А(Е – Е0).

Так как промежуток катод – сетка значительно меньше промежутка сетка-анод, образованием ионов между катодом и сеткой пренебрежем.

Qd с.а. j e Q0 pd с.а. j e nпад. = =, e e где Q – эффективное сечение ионизации.

800 10 2 10 6 10 = 5 1016 с 1 м 2, n пад. = 1,6 (для воздуха Qо= 800).

При вычислениях учтем следующие значения величин:

N1=7,11018 м-2, о=10-14 с, Е=8 эВ.

N 1 E exp kT n исп. =0 = n пад. A ( E E 0 ) n выб.

8 1,6 10 7,1 10 18 exp 1,38 10 2100 = = 10 14 5 10 16 10 3 ( 300 50 ) 7,1 10 3 8 1,6 = exp = 5 2,5 10 1,38 2, 7,1 = 10 exp( 44,168 ) = 12, 7,1 6,57 10 10 20 = 3,7 10 3.

= 12, Таким образом, катодное распыление происходит значи тельно интенсивней, чем тепловое испарение.

- 169 Задача 12.

Расчет автоэлектронного проектора.

Определить параметры автоэлектронного проектора при радиусе вольфрамового острия 1 мкм и разрешающей способ ности проектора 50 A.

Rk vт Rэ Вследствие тепловой скорости электронов vт на экране будет наблюдаться размытое пятно.

Радиус острия – Rk, расстояние от иглы до экрана – Rэ, радиус пятна на экране -.

к 0,5 103 к Rk 10 = 0,1 м ( Э = 0,5 мм).

RЭ = RК = = RЭ Э 50 Э 3kТ k = Т t, Т t 2 RЭ,, me 2eU me me 3кТ к 3кТ к Э = = 2 RЭ = 2 RЭ, me 2eU 2eU 3kТ k 2 Э = 4 RЭ, 2eU - 170 6 1,38 10 23 300 10 6kТ k RЭ U= = = 1,6 10 19 0,25 10 e Э.

6 1,38 100 = 6,2 кВ. (Т К = 300 К ) = 1.6 0, Плотность тока автоэлектронной эмиссии при абсолют ном нуле температуры 8 2m A 3 / Wf e3 E j= exp, 2h(A + W f ) A 3heE где E напряженность поля у катода.

6,2 10 U В E = = 6,2 10 9, RK м A-работа выхода, А = 4,52 эВ. WF - уровень Ферми, WF = 5,81 эВ.

(1,6 10 ) (6,2 10 ) 19 3 5, j= 34 6,28 6,63 10 10,33 1,6 10 4, ( ) 8 3,14 2 9,1 10 31 4,52 1,6 10 19 3 / exp = 34 3 6,63 10 1,6 10 6,2 109 = 2,58 10 exp( 10,558) = 6,7 10 A / м 13 8 - 171 Рекомендованная литература 1. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. «Физика плазмы для физи ков». Москва, Атомиздат, 1979, 317 с.

2. Броудай И., Мерей Дж. «Физические основы микротехно логии». Москва, Мир, 1984, 494 с.

3. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. «Пучки ио нов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей». Москва, Энергоатомиздат, 1986, 263 с.

4. Шимони К. «Физическая электроника». Москва, Энергия, 1977, 607 с.

5. Андронов А.Н., Титов А.И. «Физические основы элек тронной и ионной технологии». Москва, Советское радио, 1977, 320 с.

6. Кучеренко Е.Т. «Справочник по физическим основам ваку умной техники». Киев, Вища школа, 1981, 263 с.

7. Силадьи М. «Электронная и ионная оптика». Москва, Мир, 1990, 639 с.

8. Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. «Мощные ионные пучки».

Москва, Энергоатомиздат, 1984, 152 с.

9. Морозов А.И., Шубин А.П. Плазменные ускорители. В сб.

«Итоги науки и техники. Физика плазмы». М.: ВИНИТИ, 1984, т.5, с. 178-260.

10. Гасанов И.С., Проценко И.М. Динамика формирования импульсного ионного пучка плазменной линзой. ЖТФ, 1982, том 52, вып. 9, с. 1783-1786.

11. Габович М.Д., Гасанов И.С., Проценко И.М.

Об условиях существования больших электрических по лей в плазменной линзе. Физика плазмы, 1983, том 9, вып. 6, с. 1249-1253.

12. Гасанов И.С. и др. Авторское свидетельство СССР №1624549, 1990.

13. Gasanov I.S. “Ion sources of gases and metals for research and technology”.Turkish Journal of Physics, 1996, vol. 20, № 10, p.1098-1108.

- 172 14. Гасанов И.С. О генерации ионов и микрокапель в эмит терах на проводящей жидкости. Письма в ЖТФ, 1999, том 25, вып.17, с. 23-28.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.