Майсел Л. - Справочник - Технология тонких плёнок (1051257), страница 114
Текст из файла (страница 114)
В результате такой перезарядки нейтральный атом будет продолжать двигаться со скоростью, которой он обладал до перезарядки, будучи ионом, а новый ион будет иметь только тепловую скорость. Влияние эффекта перезарядки на тлеющий разряд довольно подробно исследовалн Лэвнс и Вандерслайс [!Зь Их результаты для ионов аргона, движущихся в темном пространстве тлеющего разряда при напряжении на электродах 600 В и давлении га. за 6 1О е мм рт.
ст., представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что ббльшая часть ионов достигает катода с нулевой энергией, и очень мало иодов рриходит на катод с энергией, соответствующей 60»ге приложенного напрнжения. Таким образом (по крайней мере в указанных условиях экс- гй. Самостоятельный тлеющий разряд перимента) очень небольшое число ионов, пересекающих темное простран.
ство, могут приобрести энергию всего негодного падения, и катод бомбардирует бодьшое число быстрых нейтральных атомов. Эти результаты показывают, что для ионов Аг+ в аргоне средняя длина свободного пробега без передачи заряда составляет 'Дз часть толсцииы области катодного темного пространства.
Для ионов Аг++ вероятность передачи заряла намного меньше, н энергетическое распределение таких ионов, падающих па катод, свидетельствует о том, что основная часть ионов Агч", приходя оа катод, приобрстаст энергию, соответствующую всему приложенному напряженшо. Так как средняя дшша свободного пробега без пе. редачи заряда для большинства систем увеличивается с возрастанием знср. гнн ионов, а доля дважды заряженных ионов растет с увеличением приложенного напряжения, то число быстрых нейтральных атомов, бомбардирующих катод, с увеличением напряжения уменьшается.
г(ейтральные атомы, падающие на катод, как нн странно, могут иметь весьма высокую вероятность быть отраженными от поверхности катода с малой потерей или без потери энергии. По эгону вопросу имеется очень мало количественных данных. Имеющиеся оценки показали, что доля отраженных нейтральных атомов аргола, падающих с энергией 750 эВ на молибденовый на. тод, составляет 20'(з (!4]. Эта доля должяа быть, как ожидают, даже еше больше при меньших энергиях частиц. Однако быстрые нейтральны атомы, движущиеся от катода, могут также иметь совершенно другое происхождение.
Хэгструм [(5) показал. что ноны инертных газов с высоко) энергией имеют консчкую вероятность отразиться от катода в виде кейт. ральных атомов, возбужденных в метастабнльные состояния. Для ионов аргона с энергией !000 эВ, надающнх на поверхность вольфрама, эта ве. роятность равна О,бей Величина эта пропорциональна корню квадратному цз энергии ионов. Значение этих быстрых нейтральных атомов для процесса ионного распыления будет рассмотрено ниже, Так как для наиболее эффективного коллектпрования распыленного материала подложку (являющуюся часто одновремснцо н анодом) нужно располагать как можно ближе к катоду (см. ниже), то в большинстве распылителынях систем ее закрепляют на таком расстоянии от катода. чтобы только она не попадала в область отрицательного свечения.
Позто му многие электроны, приходящие на подло»,ку, обладают знэ п)тельной энергией. Влияние этих электронов на свойства получаемых пленок будет рассмотрено нами в одном из следующих разделов. Кроме того, если не которое количество распыляемого материала будет покидать катод в вн. де отрицательных ионов, то эти ионы будут ускоряться в темном прост. ранстве и падать на подложку с большимн скоростяин. Если з разряд ввести дополнительный электрод и подать на него не. которос смешение относительно анога, то прн отрицательном смешении вонруг этого второго кззода возникает своя ионная оболочка. Но так как разряд уже поддерживается током вторичных электронов с основного кз.
тода, вспомогательный катод может работать при любых низких напряжениях, поскольку существование разряда никак пе зависит от его потенциала. Темное пространство, которое обрззуется вокруг такого дополни. тсльного катода (иногда называемого зондом), полностью аналогично ка. годному темному пространству и носит название ленгмюрова темкого пространства. Толщина нонной оболочки определяется равновесием между снламн притяжения, обусловленными отрицательным зарядом зонда и силами отталкивании нз-за повышенной плотности положительных ионов. Таким образом толщина оболочни )велнчивается с ростом напряжения, Гл. 4.
Получение плевок методом яонного распыления приклэдываемого к зонду, и уменьшается с повышением.плотности ионов в плазме. Количественная связь между толщиной оболочки б и другими величинами дается выражением бь= — '- ( — ) изГз, 4е г 29 11/2 91' ~ и ) где У вЂ” потенциал аонда (относительно плазмы); 1 — плотность ионного тока; и — масса нона; 9 — заРЯд электРона, ез — диэлектРнческаа пРонн. цаемость вакуума.
Если смещение, прикладываемое к дополнительному электроду, будет положительным относительно анода, то этот электрод станет для разряда новым анодом, а первоначальный анод (и все, что с ннм электрически свя вано) станет в этом случае вторым катодом. Независимо от площади, анод должен собирать электронный ток, равный сумме токов с обоих катодов.
Если плогцадь анода значительно меньше плошади катодов, ко. личество электронов, необходимое для равновесия, уже не сможет попасть на анод путем диффузии в плазме. В этом случае вблизи анода будет накапливаться отрицательный пространственный заряд н возникнет анод. нос Падение потенциала, которого будет достаточно, чтобы ионнзовэть атомы газа, окружающие анод, и получать дополнительные электроны. Таким образом, падение потенциала у анода малой площади будет одного порядка с потенциалом ионизацнн газа.
3. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД, ПОДДЕРЖИВАЕМЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИЕЙ И МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ Если давление газа в разрядной трубке с самостоятельным тлеющим разрядом уменьшать, то число ионизирующих столкновений па единицу длины для электронов, змнттированных из катода, будет уменьшатьсн. Следовательно, уменьшится плотность ионов а разряде, Зто, е свою оче. редь, приведет к уменьшению числа ионов, падающих на катод. Недостаток ионов будет компенсироваться увеличением падения напряжеаня на катодном темном пространстве (так как зто вызовет увеличение козффн.
циента вторичной электронной эмиссии). При дальнейшем уменыпении давления газа протяженность темного пространства, а также напряжение, необходимое для поддержания разряда, будут увеличиваться. В конце концов темное пространство заполнит весь разрядный промежуток вплоть до анода, н с помощью тольке одного прнкладываемого к электродам напряжения нельзя будет ни зажигать, ни поддерживать разряд. В большинстве распылительных систем это про.
нскодит прн давлениях порядка (1 — 2) ° 1О з мм рт. ст. Чтобы поддержи. зать разряд прн еще меньших давлениях газа, необходимо иметь источник 1(опорнительнбго чирла электронов, хромв тех, что получаются в результатв вторнчйой электронной эйиссии при бомбардировке катода ионами гв.' за. С другой стороны, целесообразно найти способ повысить эффективновгь ионизации газа.имеющимся числом электронов. 3. Тлеющий разряд А. Разрнд, ноддержываемый термоалектронной амнссней Для получения дополнительиык электронов можно применить нагрезаемый катод, который бы эмнттировал электроны в основном посредством термоэлектроиной, а не вторичной эмиссии. В этом случае разряд, кото. рый иногда называется низковольтной дугой, обеспечивается электронным током даже в высоком вакууме.
Однако в вакууме ток будет ограничиваться пространственным зарядом, поскольку в этом случае в непосредст. венной близости от катода образуется электронное облако, н весь ток эмиссии сможет попасть иа анод лишь тогда, когда к электродам будет приложено очень высокое напряженке. В атмосфере газа низкого давления соударення электронов с атомами газа приводит к генерации ионов, если приложенное напряжение превышает потенциал ионизации газа. Как н в случае самостоятельного тлеющего разряда, медленные ионы будут накапливаться у катода, и здесь возникнет темное пространство. Это темное пространство существенно отличается от катодвого темного простраи.
ства в самостоятельном тлеющем разряде. Оно состоит из электронной оболочки, непосредственно примыкающей к катоду, и нонной оболочки, граничащей с плазмой. Пространство это часто называют двойной оболочкой. Оно выполняет две функции. Менее важная — это нейтрализовать пространственный заряд электронов, и более важная — служить виртуаль.
ным анодом, очень близко расположенным к катоду, так что электрическое поле здесь становится сравнимым с полем в высоком вакууме при очень высоких напряжениях, приложенных ко всей трубке. Таким образом, прнкладывая к электродам относительно небольшое напряжение, порядка 20 В, можно получить весь электронный ток, эмитти. руемый катодом. Повысив приложенное напряжение, можно получить до~олнительный ток как за счет эмиссии вторичных электроноз с катода, так и за счет еще большего разогрева катода быстрыми ионами. В большинстве распылнтельных систем термозлектронный катод нагревается вольфрамо. вой спиралью, которая может выдержать ионную бомбардировку в течение долгого времени, Если же используется оксидный или торнрованный катод, превышение минимального напряжения, необходимого для поддержания разряда, существенно уменьшает срох его службы.
В распылительных системах с разрядом, поддерживаемым термозлектронной эмиссией, напряжение ив электродах обычно составляет 50 — 100 В. При таких напряжениях легко получить тонн в несколько ампер. Если в разрядц поддерживаемом термозлектроиной эмиссией, понижать давление газа, плотность ионов, как и в самостоятельном разряде, будет уменьшаться, Уменьшится простран. ствеиный заряд ионов у термоэлектронного катода н, следовательно, электрическое поле в этой области.
Для компенсации этих процессов нужно увеличивать внешнее напряжение. При давлениях газа ниже 1О-з мм рт.ст. ток в системе начинает приближаться к его значению в вакууме. Ббльшу1о часть тока эмиссии можно направить к аноду при давлениях, значительно меньших 1Π— ' мм рт. ст., без участия ионного пространственного заряда, поддерживая искусственно электрнчесиое поле у катода. Наиболее просто это осуществляется путем добавления сетки, несущей потенциал анода, рэсполагаемой на очень малом расстоянии от катода, Такая система представляет собой не что нное, как низковольтную электронную пушку, в которой главный анод служит для собирания электронов 116~ При использовании дугового разряда низкого давления для нанесения пленен ионным распылением материал, подлежащий распылению, вводнгся в плазму в качестве мишени или зонда, как показано на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
