ЭИПТ-2 (Сборник лекций Панфилова)

Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
Ю.В.Панфилов
ЭЛИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ФИЗИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ И ИОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ
Содержание
Общие положения
Формирование потоков частиц
Взаимодействие электронных потоков с материалами
Взаимодействие ионных потоков с материалами
Формирование газоразрядной плазмы и ее взаимодействие с материалами
Теоретические аспекты физического осаждения из газовой фазы
Теоретические аспекты химического осаждения из газовой фазы
Оптические и рентгеновские пучки, СВЧ техника

Общие положения
Элионные (электронные, ионные и плазменные) технологии базируются на физических явлениях
взаимодействия высокоэнергетических электронных, ионных, оптических и рентгеновских пучков, а
также газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела.
В качестве "инструмента" используются остросфокусированные электронные, ионные,
атомарные, оптические, рентгеновские пучки, газоразрядная плазма, а также мощные
электрические и магнитные поля с помощью которых и обрабатывают изделия, и измеряют их
размеры, и контролируют свойства, и диагностируют параметры, и управляют
технологическими процессом и оборудованием.
Для создания структур с соизмеримыми атомным размерами предназначена нанотехнология –
новая ступень развития электронных, ионных и плазменных технологий.
В процессах обработки материалов потоками заряженных частиц в вакууме применительно к задачам
электронных технологий различают три фазы:
1. Формирование потоков частиц (электронов, ионов, атомов, молекул) с приданием им
необходимой энергии и плотности;
2. Пролет частиц от источника до мишени (энергомассоперенос) с выполнением разнообразных
процессов модификации потоков: ускорения, фокусирования, сканирования, нейтрализации
заряда;
3. Взаимодействие потоков с поверхностью – обрабатываемым или контролируемым материалом с
выполнением заданных технологических функций.
2. Характеристики пучков атомных частиц
Тип пучка
Длина волны, Энергия, эВ
Минимальный
Плотность
нм
размер, нм
мощности,
Вт/см2
Оптический
200 – 400
1,6 – 3,5
1000
10-2 - 1010
Рентгеновский 0,2 – 2,0
5 – 1000
100
10-3 – 1
Электронный
0,01
102 – 105
10
10-2 - 1010
Ионный
0,001
102 – 107
1
10-4 - 105
Атомарный
0,001
0,1 – 104*
1*
10-6 – 102*
* Максимальные значения энергии и плотности мощности атомарного пучка, а также минимальный
размер обработки относятся к ионному пучку с нейтрализованным зарядом.

Формирование потоков частиц
Оптические пучки, используемые в элионных технологиях для засветки фоторезиста, испарения
материалов при нанесении тонких пленок, подгонки тонкопленочных резисторов и других операций,
формируются с помощью твердотельных и газовых лазеров.
Рентгеновские лучи используются в рентгенолитографии, аналитическом оборудовании и
формируются с помощью рентгеновских трубок или синхротрона.
Формирование потоков электронов осуществляется с помощью электронных пушек:
a – с термоэмиссионным катодом из вольфрамовой проволоки; b – типа Броерса с катодом из
гексаборида лантана с косвенным подогревом; c – автоэмиссионный источник с электростатической
фокусирующей системой; d – автоэмиссионный источник с магнитной линзой и двумя анодами; 1 –
катод; 2 – управляющий электрод; 3 – анод; 4 – нить подогрева; 5 – экран; 6 – второй анод

Важнейшей характеристикой источника электронов является его яркость = I/(S), где I – ток
эмиссии; S - площадь эмиттирующей поверхности;  - телесный угол, в который происходит эмиссия.
Сила тока зависит от материала катода и механизма эмиссии. Плотность тока термоэмиссии j0
можно рассчитать по следующей формуле
 e
j 0  AT 2 (1  r ) exp  

 kT


eE 


где A=120 А.см-2К-2 – константа Ричардсона; T - температура эмиттера, К; r - коэффициент
отражения от потенциального барьера; e - заряд электрона; e - работа выхода электрона; k постоянная Больцмана; E - напряженность электрического поля, В/м. Для W катода – до 10 А/см2, для
LaB6 – более 50 А/см2.
Для придания электронному пучку
необходимой энергии (скорости) и формы
служат формирующие и апертурные
диафрагмы, фокусирующие и отклоняющие
линзы, стигматоры, сканирующие системы
и другие элементы ЭОС: 1-СУ вакуумной
системой; 2-контроллер привода КС;3-нагреватель;
4-катод; 5-управляющий электрод; 6-анод; 7-узел
выравнивая луча; 8-затвор; 9-фокусирующая
система; 10-система обзора; 11-сканирующая
система;12,15-коллектор электронов; 13-КС; 14привод КС; 16-узел откачки пушки; 17-узел откачки
РК; 18-СУ нагревателем; 19-высоковольтный узел;
20-СУ током луча; 21,24-усилитель; 22,23-БП; 25генератор; 26-передающая система; 27-усилитель
изображения; 28-монитор; 29-выравнивающая
система; 30-клавиатура; 31-дисплей ПК.

Формирование пучков ионов заданного сечения осуществляется с помощью источников ионов,
которые состоят из разрядной (ионизационной) камеры, источника электронов (нагреваемого
термокатода, холодного или полого катода), анода, магнитной системы (для повышения
эффективности ионизации), экстрагирующего электрода и электрода первичной фокусировки,
системы подачи рабочего газа или пара: Ar, N2, O2, BF3, PCl3, AsF3, AlCl3 и т.п., а также B, As, Sb, Al,
Ti и других веществ. Существуют следующие типы источников ионов: автономные источники ионов с
горячим, холодным или полым катодом, дуоплазмотроны, источники с ВЧ- и СВЧ-возбуждением,
источники с поверхностной ионизацией и другие.
В источниках ионов с горячим катодом (1 – ввод газа; 2 –
катод; 3 – ввод охлаждающей жидкости; 4 – держатель; 5
– электромагнит; 6 – разрядная камера; 7 – экстрактор) в
качестве источника электронов используются катоды
прямого накала или с косвенным подогревом. Основным
достоинством таких источников является возможность
получения высокоинтенсивных пучков ионов, а главным
недостатком – быстрое разрушение термокатода при
использовании химически активных рабочих газов.
Автономные источники ионов с холодным катодом и
разрядом Пеннинга (1 – катод; 2 – антикатод; 3 –
экстрактор; 4 – цилиндрический кольцевой анод; 5 –
соленоид) обладают высокой эффективностью ионизации
(до 10 в 14 степени ион/см3), срок службы катода
превышает 1000 часов. Недостатком является низкая
сила тока пучка ионов (до 100 мкА), большая пульсация
тока и возможность использования только газообразных
рабочих веществ.

Основными способами формирования атомарных и молекулярных пучков являются: термическое и
дуговое испарение, испарение взрывом, ионное распыление, а также, получение ионных пучков из
газовой фазы с последующей нейтрализацией.
Т
П
С помощью испарения можно формировать потоки атомов и молекул
металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с энергией E=kTи.
Термическое испарение, с точки зрения термодинамики, описывается
уравнением Клаузиуса-Клапейрона:
dpнас
H  Hж
H
 г

dT
T (Vг  Vж ) TVг
RT
0
Т.к. Vг  p
, то
dpнас
p
Рвак
Тисп
где pнас – давление насыщенного пара испаряемого материала, Па; T - температура
материала, К; H - энтальпия газа (г) и жидкости (ж), ккал/кмоль; V-объем газа (г) и
жидкости (ж), м3 (Vг>>Vж); H-теплота испарения, ккал/кмоль.
H
H
B где R0 – универсальная газовая постоянная,
 2 dT ;
lg pнас 
 C;
lg pнас  A 
T R0
R0 T
T Дж/(кмоль.К); p - давление пара, Па; C постоянная интегрирования; A и B-константы
(приведены в таблицах).
Согласно молекулярно-кинетической теории газов,
термическое испарение подчиняется закону Герца-Кнудсена:
dN и
p 
атом
 нас и , 2
dt A
2mkTи м с
МЛЭ
где Nи - количество испаренных атомов или молекул; t - время, с; Aплощадь испарения, м2; и -коэффициент испарения (для чистых
материалов и =1); m - масса испаренного атома или молекулы, кг;
Tи -температура испарения, К.
Скорость испарения рассчитывается по
dN
p 
m
;
следующим формулам, где: M - молекулярная Vи m и m нас и  pнас и
dt A
2kTи
2mkTи
масса испаряемого вещества, кг/кмоль.
Испарение сплавов описывается законом Рауля, где xА - содержание
материала А в растворе, массовые %; MА,Б - молекулярные массы
материалов А и B сплава, кг/кмоль.
pнас , Ар аст.
pнас , А
Vи 5,83 10  3 pнас

M кг
,
Tи м 2 с
xА
x А  (100  x А )
MА
MБ
Испарение диэлектриков и полупроводников может происходить: без диссоциации (SiO, MgF2); с
диссоциацией (при Т >1800 К практически все диссоциируют, а при Т>Ти+(200...400)К без диссоциации
испаряются MgO, Al2O3, BeO, SiO2, ThO2); с разложением, когда химический состав пара не
соответствует испаряемому веществу (Ag2S, CuJ, WC, CrN, Cr2O3, Fe2O3, AIIIBV).

Ионное распыление материала имеет место при взаимодействии
(«бомбардировке») ускоренных до 0,5 – 5 кэВ ионов с веществом,
находящемся в твердом или жидком состоянии. Сущность метода
заключается в механическом выбивании атомов или молекул материала
мишени путем передачи им кинетической энергии ускоренных ионов
инертного газа. Энергия выбитых частиц 3-5 эВ. Основным показателем
эффективности данного процесса является коэффициент распыления,
который можно рассчитать по следующей формуле:
S
N A zqe m
,
MJi t
Тлеющий разряд
Р.Г.
где NA – число Авогадро, атом/Кмоль; zqe - заряд иона (z - кратность ионизации), Кл; m и M - масса
(кг) и молекулярная масса (кг/кмоль) распыляемого вещества; Ji - ионный ток, А; t - время, с.
Скорость ионного распыления рассчитывается по
следующим формулам, где ji - плотность ионного тока, А/м2;  -
Vр  S
плотность распыляемого материала, кг/м3, z = 1:
Поток атомов или молекул,
сформированный из газовой фазы,
характеризуется небольшой энергией
(Eг=kTг = 0,1 – 0,2 эВ, где Tг - температура
Nг 
pг
2mг kTг
,
или
Vр  S
ji M 109 нм
,
qe N A  с
атом/(м2 с) или
Vг 5,83 10  3 p г M
газа, К) и гибким регулированием интенсивности
Nг или Vг с помощью изменения давления газа pг
в широком диапазоне – от 1Е-5 до 1Е5 Па:
ji M кг
,
qe N A м2 с
Tг
кг/м2 с
Смесь газов
Атомарные пучки с энергией 1 - 10 кэВ получают с помощью ионноРабочий газ
оптических систем, снабженных устройством компенсации заряда пучка
ионов. Нейтрализацией ионного пучка можно сформировать
высокоэнергетические потоки атомов или молекул: Ea  Ei = qezU, где
АИИ
U – ускоряющее напряжение, В.
ji k n
Поток атомов или молекул равен: N a  zq
атом/(м2.с), где kn – коэффициент нейтрализации, атом/ион.
e
Скорость (интенсивность) потока можно представить как
Va 
Mji k n
N A zq e
кг/(м2.с)

Взаимодействие электронных потоков с материалами
Вакуум
Эффекты, возникающие при проникновении
электронного пучка в вещество на глубину x, (p0-2-10-4 Па)
определяются характером и величиной
а)Ионизация и возбужпотерь энергии электронов Ee в твердом
дение остаточных
теле (NA - число Авогадро, атом/кмоль; qe газов и паров
e
h
заряд электрона, Кл; 0 - диэлектрическая
e
e
б) Эмиссия
проницаемость вакуума, Ф/м;  - плотность
электронов e
вещества, кг/м3; M - молекулярная масса,
кг/кмоль; J=13,5 Z - потенциал ионизации,
dEe  N А q e4   Z   1 1,66 E e 
эВ; Z - атомный номер):




ln
dx
 2 2   M   E
 e
0 

J
Упругие столкновения электрона с атомами
вещества (энергия и направление движения
мало изменяются) – при Ve > Vорб, где Vорб орбитальная скорость электронов атома,
равная 2,2Е6 м/с. Средняя энергия E,
передаваемая
электроном атому с массой mа:
4m m
E Ee
e
a
 me  m a  2
 где  - угол рассеяния (1),
Sin
2 при этом E/Ee 1Е-9...1Е-10


Твердое тело (металл,
диэлектрик, полупроводник)
д)Ионизация атомов
е)Возбуждение фононных
колебаний
ж)Образование дислокаций и радиационных
дефектов
e
з) Нагрев
и)Химические
o<->o<->o реакции
в) Эмиссия
фотонов
h
2
г)Эмиссия атомных частиц
к)Увеличение проводимости полупроводников и диэлектриков
Неупругие столкновения (изотропное или
диффузное рассеяние), когда Veэнергии происходит дискретно на межатомном
расстоянии в 0,3...0,4 нм ( возбуждение, колебания
кристаллической решетки и т.п.
Рис.2 Эффекты взаимодействия электронного пучка с твердым телом
Тепловое воздействие электронного луча с энергией E0 на твердое тело
  r2 
E0


T  r, t  
exp
3
T(r,t), установившаяся температура поверхности T(r), приращение
 c 4 T t  2
 4 T t 
температуры ΔТ, скорость испарения материала Vи равны:
2
3 E I
где r – расстояние от центра луча; T =T /(.c) – температуропроводность материала; T –
теплопроводность;  - плотность материала; с – теплоемкость; r0 – радиус луча; Pe –
удельная мощность; Ie– ток пучка; qe - заряд электрона; ps– упругость пара материала при
температуре T; M - молекулярная масса испаряемого материала
T (r ) 
r0 Pe
2 r T
T 
0 e
2 q e T R
Vи 5.38 10  3 p s M
T

Согласно модели Арчарда, траекторный пробег электронов Rs (сумма пробегов
32 0 E e2
электрона от атома к атому) приблизительно равен (N - плотность атомов (1Е28...1Е29 м- Rs  Nq 4 Z
e
Проекция пробега R на ось x составляет (b - константа торможения,
3):e
R Ee2/(.
а)
равная  5.1Е5 кэВ2.см2/г (Ee в кэВ;  в г/см3):
b)
Модель Арчарда позволяет рассчитать глубину
R
проникновения электрона xД, на которой выделяется
e
dEe/dx, эВ/м
максимум энергии, а также радиус rД диффузного
Ee1>Ee2>Ee3
xд
рассеяния энергии электронов:
rд
R
xД  12R/(Z+8);
rД  R  xД = R(Z4)/(Z+8
x, м
С увеличением энергии электронов Ee
xд1 xд2
xд3
б)
в)
увеличивается xД и уменьшается максимум
выделения энергии dEe/dx.
Рис.3 Модель Арчарда
Нетермическое воздействие: доза
3. Параметры электронных пучков
облучения электронорезиста (Кл/м2) K= j. ,
Вид электронно-лучевой Энергия
Диаметр
Плотность
где j - плотность тока, А/м2;  - время
обработки
электронов Ee, пучка dл, мм мощности
экспонирования, с. Доза, необходимая для
2
кэВ
pe, Вт/см
начала химической реакции (пороговая)
-5
-2
-2
5
Kпор. составляет приблизительно 1Е-5...1Е-7
Нетермическое
20 – 250
10 - 10
10 - 10
Кл/см2. Контрастность электронорезиста  =
воздействие
[lg (K0/Kпор)]-1, где K0 – доза при 100%
. 3
проявлении
Химическое
20 – 5000
10 - 300
10 - 3 10
Основные достоинства электронно-лучевой
воздействие
обработки:
- Универсальность (обработка, измерение);
Плавка
15 – 40
10 - 50
103 - 104
- Экологическая чистота (высокий вакуум);
Испарение
10 – 40
2 - 30
2.103 - 2.104
- Управляемость (энергия, фокусировка,
модуляция, отклонение луча, малая
Сварка
15 – 175
10-1 - 6
8.104 -107
инерционность, высокая скорость обработки и
Резание
20 – 150
5.10-3 - 10-1 105 - 1010
локальность воздействия .

Электронно-лучевой испаритель для
нанесения тонких пленок в вакууме (справа
вверху).
Электронно-лучевая сварка шестерни в
вакууме (справа внизу).
Электронно-лучевая установка (слева внизу).

Взаимодействие ионных потоков с материалами
Вероятность осаждения иона на поверхность –
коэффициент аккомодации =( Ei-Ed’)/(Ei-Ed’’)1
(Ei – кинетическая энергия иона; Ed’ – энергия
десорбированного атома до наступления
термодинамического равновесия с подложкой;Ed’’ энергия десорбированного атома после установления
термодинамического равновесия с подложкой
При столкновении с поверхностью ионный
пучок отклоняется в результате обмена энергиями
с атомами мишени: упругого (с ядрами) и
неупругого (с электронами).
Потеря энергии иона En по глубине x:
dE n
Z1 Z 2
M1
эВ
0,278
N
,
(упругое)
dx
нм
Z12 / 3  Z 22 / 3 M 1  M 2
dE e
3.28 10  3  Z1  Z 2  M 1 1/ 2 NE i1/ 2 эВ/нм
(неупругое)
dx
где Z1 и M1, Z2 и M2 - атомный номер и молекулярная
масса (кг/кмоль) ускоренного иона и атомный номер и
молекулярная масса атома материала облучаемого
образца, соответственно; N – плотность атомов, нм-3
Вакуум
(p10-2-10-4 Па)
а)
h
Твердое тело
(металлы,
диэлектрики,
полупроводники)
e
б)
в)
h
г)
д)
е)
ж)
з)
e
Пробег иона в твердом теле:
n
i
R 
3,6 E i  Z12 / 3  Z 22 / 3  M 1  M 2 
NZ1 Z 2 M 1
, нм
(упругое)
Rie  Rin [1  2 / 3 Rin 3.28 10  3  Z1  Z 2  M 1 1/ 2 N ]нм (неупругое)
dEi/dx
Энергия Emax, передаваемая атому
материала ионом с энергией Ei :
Ядерное (упругое)
взаимодействие
Электронное
(неупругое)
взаимодействие
E max 
Ei
Рис.6 Вид взаимодействия иона с твердым
телом в зависимости от энергии иона
4 M1 M 2
M
1
 M2 
2
Ei
и)
к)
o<->o<->o
л)
Рис.5 Эффекты взаимодействия ускоренных ионов с веществом: а) ионизация газа; б)
осаждение на поверхность; в) отражение иона; г) десорбция атома или молекулы; д)
физическое распыление; е) химическое распыление; ж) вторичная ионная эмиссия; з)
эмиссия электронов; и) нагрев; к) химические реакции; л) ионная имплантация

Физическое распыление атомов образца происходит при энергиях иона от 0,5 до 5 кэВ, показатель
эффективности – коэффициент распыления S=Na/Ni (Na - количество распыленных атомов, Ni - количество
падающих ионов), который зависит от энергии иона Ei, коэффициента , энергия межатомных связей
распыляемого материала U0:
Отношение масс распыленных атомов и падающих
E max
3
S
(
E
)


;
ионов M2/M1=0,01;1,0;10 влияет на =0,17;0,23;5,0,
U04 Hсубл. (Hсубл. – энергия
4 2 U 0
сублимации распыляемого материала)
соответственно.
Коэффициент распыления S зависит от угла падения иона  согласно выражению S () = S(0)/Cos,
где S(0) - коэффициент распыления при падении иона перпендикулярно поверхности мишени, т.е. при
=0. Увеличение коэффициента распыления объясняется гипотезой о парных упругих столкновениях:
при столкновении ускоренного иона с массой M1 с
M1;V0
+
 +
атомом материала мишени с массой M2 угол
M2
отклонения иона  меньше угла отклонения атома 
V0
V 
M
1
Sin 
1
       arcSin
  1   1  ;   2 ;
 ; Cos    1   
2
 
2
V1
V0 
M1
Вторичная ионная эмиссия: сила тока вторичных
ионов распыленного вещества равна Ji2=.k.C.S, где
 - чувствительность датчика; k - коэффициент
ионизации (1Е-5 – 1Е-1); C - концентрация i-го
элемента в мишени; S - коэффициент распыления i-го
элемента (0,1 – 10). Метод химического анализа –
вторично ионная масс-спектрометрия «ВИМС»
Ионная имплантация (Еи>30 кэВ):
Rp
R
+
y
Rp Rp
 >

M2;V2

M1;V1
Рис.7 Эффект парных соударений
Химическое распыление: химически активные
ионы H+, O+, N+, Cl+, F+ и др. образуют на
поверхности мишени химические соединения, в
том числе и газообразные.
R – полная длина пробега иона
Rp – проекционный пробег иона (средняя глубина)
x Rp – разброс проекционного пробега ионов
2R R - разброс пробега ионов по оси "y"
(закон распределения – нормальный)

1,0
Rp,мкм
B
10
22
C,см-3
P
0,1
Ei=50 кэВ
d

As
10
20
Sb
Z1, Ei +
200 кэВ
0,01
Z2
Рис.9 Эффект каналирования
0,001
10
100
а)
1000
400 кэВ
x,мкм
1018
0
Eи, кэВ
0,5
б)
1,0
 кр 
Рис.8 Глубина легирования кремния ионами бора, фосфора, мышьяка и сурьмы (а) и
концентрационный профиль (б) в зависимости от энергии ионов
Концентрация имплантированных в материал атомов
примеси распределяется по нормальному закону:
В микроэлектронике ионное легирование
осуществляется через резистивную маску, что
приводит к изменению концентрации
имплантированных атомов вблизи маски (erfc –
стандартная
функция ошибок):
C(x)
+
+
+
+
+
1016
C(y)
1017
F(y)

C ( x, y ) 
exp  

2 R p

D
C ( x, y ) 
1
1015
-a
0
-y
Rp
Имплантированные ионы в
кристаллической решетке:
 x  Rp

 R
p





2

2

 exp  y
 2 R

y






 y a 
 y  a 
C ( x) 
  erfc

 erfc

 R 2  
2 

R
2
  
   
Основная характеристика ионной
имплантации – доза легирования:
0,5
x
2 Z1 Z 2 q e2
Ei d
a
y
электрическиактивный атом
электрическинейтральный атом
D= jиt, где D – доза легирования, Кл/м2,
jи – плотность ионного тока, А/м2,
t – время легирования, с.
D < 1010 Кл/см2 – малая доза
D = 1014 Кл/см2 – средняя доза
D > 1017 Кл/см2 – большая доза

Формирование газоразрядной плазмы
Катод
Анод
d
Темное катодное
пространство
Ee < E иониз.
h
Прикатодное
свечение
e + MX  M + X
e + M  M* + e = M + h + e
e + M  M+ + 2e
e + X   X
M  + X  MX
Плазма
(отрицательное свечение)
_
_
Темное фарадеево
пространство
Ee < Eиониз.
neni; kTe =2 эВ; kTi=4.10-3 эВ
при w=1 Вт/см2 и p=100 Па
ni=1010 ион/см3, na=2.1016 атом/см3, ki =5.10-7
Положительное
свечение
Рис.10 Низкотемпературная газоразрядная плазма
Рабочие газы: Ar, O2, N2, H2, CF4, CCl4,
SiH4, углеводороды CxHy и другие.
Давление рабочих газов: от 0,65 до 250 Па.
Энергия электронов – 1,2 - 30 эВ. Частота
ВЧ-плазмы – 3,5 - 27 МГц.
Средняя скорость электронов в плазме (me -
Uз, В
CO2
Воздух
104
H2
масса электрона при скорости ve; B=6,24.1Е11 эВ.с2/
(г.см2)) При Ee=kTe=2эВ, ve=1Е6 м/с
Частота столкновений
электронов с молекулами газа в v  8kTe
e
me B
плазме  = ve.Se.N и может
составлять 750 МГц.
Напряжение зажигания самостоятельного
газового разряда Uз зависит от рода газа и
произведения давления p на расстояние
между электродами d. Эта зависимость
иллюстрирует закон Пашена.
103
Ne
Ar
102
10-1
100
101
102
p.d,
Па.м
Рис.13 Зависимость потенциала зажигания газового разряда
Uз от p.d для различных газов (Кривые Пашена)

Поток ионов Qi (ион/(м2.с)) в катодное
пространство (kTi и Mi – энергия (Дж) и
масса иона (кг)). Плотность ионного тока
ji= Qi.qe, А/м2. Толщина прикатодной
области («темного катодного
пространства») h (Uм – потенциал мишени,
В):
Qi ni
100
kTi
Mi
h
5,47 10  8 U м3/ 2
M i1/ 2 ji
f(Ee)
0
-1
-3
-5
2 эВ
а)
, см
h, см
1,0
h
ji
10
1
1
10
100
0,1
0,01
1000 p, Па
Рис.14 Зависимость параметров газоразрядной плазмы (плотности ионного тока ji,
энергии ионов Ei и величины темного катодного пространства h) от давления
плазмообразующего газа p
электрод
d
мишень
+
e

e
 ВЧ

+
Рис.15 Схема высокочастотной плазмы
Ee
0
2
4
6
8
kTe, эВ
10
б)
Рис.12 Распределение электронов в газоразрядной плазме по энергиям (а) и вероятность
ионизации атомов аргона (б)
ji, мА/см2; Ei, эВ
Ei
lg f (Ee > E иониз.)
Длина свободного пробега электрона в
плазме =1/(Se.N), (Se - сечение столкновения
электрона с атомами плазмообразующего газа, м2
(для Ar при Ee=2 эВ Se = 3.10-16 см2); N концентрация атомов или молекул газа (м-3), равная
N=p/(kT)=2,5.1016 атом/см3 (при давлении аргона
p=100 Па и температуре стенок вакуумной камеры
T=293К). При этих параметрах =0,13 см.
Частота изменения полярности на электродах: f > 1/te, где время пробега
электронов te = d/ve (при ve=1Е6 м/с и d=0,1 м te=1Е-7с, а f > 1Е7 Гц).
Стандартная частота f = 13,56 МГц, при которой время пробега ионов ti
расстояния d равно ti = d/vi (при vi  500 м/с, ti = 2.1Е-4 с), а величина
пробега ионов за ti составляет di = vi /f (di =3,7.10-5 м или 37 мкм).
Нейтральные частицы в газоразрядной плазме: скоростью образования радикалов (электронмолекулярного взаимодействия) R = K.ne.N (K - константа скорости диссоциации (для HCl при
kTe=2 эВ, K=4Е-10 см3/с). При pcl =100 Па и ne=1Е10 см-3, N=2,5Е16 см-3, а R = 7,5Е16 шт/
(см3.с). Длина свободного пробега атомов или молекул  = 6,51Е-3/p, м (p - давление газа, Па).
Число атомов или молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу времени ( T и M температура и масса газа):
N 1  p / 2kTM

U0
kTe
1 2
e e
Плазма
4

3
+
e
e
neni
8
+
ne<5
+
e
6
+
7
e
h
e +
+
+
 Uм
Рис.11 Явления в газоразрядной плазме и ее энергетические характеристики
1 – уход быстрого электрона; 2
– отражение медленного
электрона; 3 – инжекция иона;
4 – отражение отрицательного
иона; 5 – рассеяние на
нейтральной частице; 6 –
обмен заряда иона с
нейтральной частицей; 7 –
эмиссия вторичного
электрона; 8 ионизация
электронным ударом; U0 –
прикатодный потенциал; h –
толщина прикатодной области
– темного катодного
пространства; ne и ni –
концентрация соответственно
электронов и ионов; kTe –
энергия электрона; Um –
потенциал мишени.
«Плазменный котел» для нанесения (слева) и травления (справа) износостойких покрытий