Диссертация (1103577), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

§2.2 Физические процессы, происходящие в разряде Пеннинга .

Методика осаждения и получения пленок с использованием разряда с осциллирующими электронами является хорошим источником получения металлических кластеров и имеет некоторое сходство с магнетронными кластерными источниками, описанными в работах [⁴¹],[⁴²],[⁴³],[⁴⁴].

Обе методики относятся к ионному методу распыления и осаждения кластеров с низкой кинетической энергией Ek на атом кластера (Ek меньше энергии связи атомов в кластере), при которой не происходит фрагментации кластеров [⁴⁵]. Если сравнивать условия напыления пленок методом магнетронного распыления и методом разряда с осциллирующими электронами (разряда Пеннинга), преимущества второго метода следующие:

А) разряд происходит при рабочем давлении газа торр, а в магнетронном распылении при торр

Б) скорости напыления во втором методе гораздо ниже, чем в первом.

В) разряд происходит в однородном магнитном поле и подложка также находится в этом же магнитном поле.

Г) подложка и катоды перед напылением обезгаживаются и очищаются от примесей ионами инертного рабочего газа.

На возможность использования катодного распыления в геометрии Пеннинга для синтеза пленок из массивных металлов катода было указано в работе [⁴⁶], где авторами рассмотрено теоретическое и экспериментальное распределение напылённого металла по поверхности анода при катодном распылении в разряде с осциллирующими электронами.

В этой методике электроны, движущиеся по циклоидальным траекториям в разрядном промежутке между двумя катодами в магнитном поле Н=(300-1200)Э и анодном напряжении Ua=(0.8-2.0)кВ, ионизируют атомы и кластеры инертного газа Kr( торр). Положительно заряженные ионы и кластеры криптона ускоряются в электромагнитном поле разрядной ячейки и бомбардируют катоды, вызывая распыление металлов катодов (Me) (если энергия возбужденных атомов Kr будет превосходить энергию ионизации атомов металла катода Me) по схеме:

Где - возбужденный атом Kr, Ме – атом металла катода, - ион металла катода, - вторичный электрон.

Ионы металла могут нейтрализоваться электронами:

Кластеры инертного газа частично формируются за счет того, что при напускании газа Kr в разрядную ячейку через высоковакуумный вентиль происходит адиабатическое расширение Kr ( p=350 Торр) в вакуумную среду (р ) при чрезвычайно малом открытии вентиля.

Одновременно при столкновении атомов и кластеров распыляемых материалов катодов с атомами и кластерами Kr может происходить формирование свободных кластерных образований , , , n,m>2 и их ионов [⁴⁷]. Другая часть кластеров в виде связанных комплексных соединений может формироваться непосредственно на подложке.

Таким образом в разряде с осциллирующими электронами наряду с атомарными и ионными образованиями Fe, Co, Mo, Kr также формируются несколько типов кластеров:

1. кластеры (n>2) [⁴⁸], которые могут быть нейтральными, положительно и отрицательно заряженными, свободными (в разрядном пространстве) и связанными в виде комплексных соединений типа .

2. Кластеры, образованные атомами металлических катодов , n>2, которые также могут быть нейтральными и заряженными, свободными и связанными.

Следует отметить, что при синтезе металлических кластеров с большим количеством атомов ( ) и интенсивным потоком таких кластеров обычно используется ионное распыление (чаще всего магнетронное) с большими величинами приложенного напряжения между катодом и анодом и давления рабочего газа . Ионное распыление при низких величинах напряжения и давления рабочего газа приводит к формированию кластеров с малым количеством атомов n<10. [⁴⁹],[⁵⁰].

Формирование и рост металлических кластеров начинается с образования свободных атомов катода при его распылении. Конечно, вероятность распыления с катодов кластеров с n≥2 не равна нулю. Однако, при этом следует учесть, что коэффициент катодного распыления кластеров в зависимости от количества атомов n в кластере подчиняется инверсному степенному закону: , где коэффициент α лежит в пределах от 4 до 8 для n≥40 [⁵¹].

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при энергии ионов (E≈1кэВ), коэффициент катодного распыления для Fe оказался малым К=(0,4-1,2). Т.е. в нашем случае с поверхности катода Fe летят в основном отдельные атомы .

В потоке буферного газа Kr могут формироваться димеры при столкновении атомов Ме с молекулами Kr по схеме: [45], [⁵²]

,

,

где n≥2 (n – число атомов Ме в кластере, Me - Fe, Co, Mo).

Рост размеров кластеров происходит в некотором ограниченном пространстве около катодов на расстоянии , где коэффициент диффузии кластеров, u – эффективная скорость пучка кластеров.

По данным, приведенным в работе [45] плотность свободных атомов Me в области, где происходит агрегация и формирование кластеров примерно в десять раз меньше плотности свободных металлических атомов вблизи катода. Проведем оценку равновесной плотности атомов металла вблизи катода. В плазменном режиме разряда Пеннинга в состоянии равновесной плазмы число отрицательно заряженных частиц (электронов) и положительно заряженных частиц (катионов ) примерно одинаковое, т.е. . Коэффициенты катодного распыления материалов катодов Fe, Co, Mo близки к единице [⁵³], поэтому можно считать, что величина разрядного тока формируется в равной доле электронным током и ионным током. В наших условиях разряда величина плотности тока , где I – величина разрядного тока, - площадь катода, где происходит распыление. Тогда величина плотности потока заряженных частиц ( ) определяется из соотношения , где е – заряд электрона. Отсюда . Поскольку величины w и связаны соотношением [39]: , где -постоянная Больцмана, T=300 температура Kr , масса атома Kr, то равновесная плотность атомов Me вблизи катода оказывается равна

Кроме ионов в разрядной ячейке присутствует огромное количество нейтральных атомов Кr, которые непрерывно попадают на подложку. Проведем также оценку плотности нейтральных атомов криптона при , . Количество атомов Kr, попадающих на подложку определяется плотностью потока атомов перемещающихся в направлении к подложке, величину которой можно найти из соотношения [⁵⁴]: , где -парциальное давление газа Kr, -атомный вес Kr, T- температура газа. При , =84, T=300К получаем . Заметим, что величина плотности потока нейтральных атомов Kr должна быть больше w, т.к. часть положительных ионов Kr нейтрализуется электронами в плазме. По экспериментальным данным [41] при магнетронном распылении число ионизованных атомов и кластеров может составлять от 20 до 80%.

Это означает, что при в монослое за 1 с на подложке осаждается примерно 7 монослоев нейтральных и заряженных атомов и кластеров Kr, параллельно с этим процессом происходит и осаждение нейтральных и ионизированных атомов и кластеров распыляемых металлов. Таким образом, на подложке происходит формирование пленки, структура которой будет зависеть от взаимодействия атомов и ионов подложки с падающим пучком атомов и кластеров , а так же их ионов. Это взаимодействие в существенной степени зависит и от кинетической энергии налетающих на подложку нейтральных и заряженных частиц. Известно, для катодного распыления при малых величинах анодного напряжения кинетическая энергия падающих на подложку частиц меньше энергии связи атомов в кластере, т.е. < [42]. В этом случае происходит процесс так называемого «мягкого закрепления» (soft landing) налетающих частиц. При этом сохраняется композиция кластеров, но изменяется их форма. Также может происходить процесс легкого встраивания ионов атомов и кластеров (при ) в поверхностный слой нейтральных кластеров . Это осуществляется за счет того, что поверхность слюды в высоком вакууме заряжена отрицательно и при островковом росте образований на подложке на этих образованиях формируется большой градиент потенциала. Этот процесс небольшого встраивания кластеров в поверхность носит название «закрепление кластеров» (cluster pinning), а так как в нашем случае , то процесса имплантации кластеров (cluster implantation),происходящего при более высоких значениях анодного напряжения , не происходит. Таким образом, на подложке из слюды атомы и кластеры распыляемых металлов оказываются окруженными атомами и кластерами инертного газа Kr, которые связаны слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами, где существенный вклад имеют дисперсионные силы, которые имеют квантово-поляризационную природу и значения порядка нескольких kT при комнатной температуре.[⁵⁵]

Как упоминалось выше, при адиабатическом расширении газа криптона через вакуумный вентиль образуются нейтральные кластеры , а в разрядной ячейке формируются ионы . Ионы распыляемых металлов, проходя разрядное пространство могут захватываться нейтральными и заряженными кластерами Kr. В результате могут формироваться комплексные молекулярные кластеры .

Характеристики

Список файлов диссертации