Лекции5 (Лекции - Физические основы электронных приборов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАДисциплина:Физические основы электронных приборовМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 7Газовый разряд в вакууме, основные явленияГазовыйразрядввакууме наиболее легкозажигается при низком и среднем вакууме (P=103…10-1 Па)и, как правило, в среде инертных газов (аргона, неона,криптона), водорода или паров ртути.Схема подключения баллона для формированиягазового разрядаПусть баллон содержит дваэлектрода: анод и катод (холодныйненакаливаемый) и заполнен газомпри давлении P=103…10-1 Па.К электродам через переменныйрезистор R подключен источникпостоянного напряжения U.Рассмотрим различные начальные условия:1.R®¥, UA = 0.

В разрядном промежутке всегда существуетнебольшое количество электронов и ионов, возникающих врезультате ионизации газа за счет естественной радиоактивности,светового или другого электромагнитного излучения.Наряду с процессом ионизации протекает и обратный процесс- рекомбинация свободных электронов и ионов. Эти два процессанаходятся в динамическом равновесии и число заряженных частицнеизменно, система в целом нейтральна, ток отсутствует.2. R¯, UA>0.Под действием небольшого анодного напряжения UAв межэлектродном пространстве протекает ток в результатедрейфа электронов и ионов, равный:| I |=| I e | + | I ион |Из-за различия в массах скорость ионов намногоменьше скорости электронов и | I ион |<| I e | .Поэтому из межэлектродного пространства вединицу времени уходит больше электронов, чем ионов и вбаллоне образуется объемный положительный заряд.При небольших скоростях и энергиях электроновпроисходят их упругие соударения с молекулами газа иэнергия частиц не изменяется.3.

R¯¯,ПриUA³ UВОЗБ.большойскоростиэлектроноввозможнынеупругие соударения, в результате которых изменяетсявнутренняя энергия атомов и электроны могут перейти науровни возбуждения (более высокие энергетические уровни).НапряжениевозбужденияUВОЗБ.–анодноенапряжение, при котором электроны приобретает энергию,достаточную для возбуждения атомов, соударяющихся с ними.Возбужденное состояние неустойчиво и электронвозвращается на прежний энергетический уровень, испускаяквант энергии.4. R¯¯¯, UA³UИОН.При дальнейшем повышении энергии электроновпроисходит ионизация атомов газа.Напряжение ионизации UИОН. – анодное напряжение,при котором электроны приобретает энергию, достаточную дляионизации атомов газа.Объемная ионизация – ионизация атомов газа при ихстолкновении с электронами.Коэффициентсвободныхэлектронов,первичного электрона.объемной ионизацииполученныхнаa - числоединицепутиПоверхностнаяионизация–ионизацияатомовповерхности движущимися ионами газа.Коэффициент поверхностной ионизации g - числосвободных электронов, полученных одним ионом.Состояние сильно ионизированного газа, при которомплотностиотрицательныхзарядовэлектроновиположительных зарядов ионов почти равны, называетсягазовой плазмой.Вольтамперная характеристика газового разряда в вакууме1.

Область соответствует несамостоятельному разряду. Числоэлектронов, уходящих с катода, мало, ионизация незначительна (a иg - небольшие), через прибор протекает незначительный ток.2. Область начальной стадии самостоятельного разряда –область темного разряда.

Ток, a, g - небольшие.3. Переходная область от темного разряда к тлеющему.Приэтомионизациянапряжениигаза.происходитПоскольку ионыболеедвигаютсяинтенсивнаямедленнееэлектронов, вблизи катода скапливается большое число ионови формируется положительный объемный заряд (ПОЗ),который уменьшает потенциальный барьер и способствуетдальнейшей эмиссии электронов с катода. Для поддержанияразряда теперь требуется меньшая разность потенциалов U.4. Область тлеющего разряда. Газ в приборе начинаетинтенсивно светиться в результате излучения энергии припереходеэлектроновизвозбужденныхсостоянийвстационарные.При тлеющем разряде процесс формирования ПОЗстабилизируется. У катода образуется катодная область скатодным падением потенциала UK.Затем увеличение I происходит за счет увеличенияплощади сечения ионизированного столбика газа, т. е.плотность тока и U остаются постоянными.

Это свойство(U=const)тлеющегостабилитронов.разрядалежитвосновеработы5. Область аномального тлеющего разряда. После того,как сечение ионизированного столбика газа будет равноплощади катода для увеличения I необходимо увеличить U,т. е. увеличить a и g.6. Переходная область от аномального тлеющего разрядак дуговому разряду. Напряжение велико, скорость ионоввозрастает, катод разогревается и возникает термоэлектроннаяэмиссия. Кроме того, при напряженности поля E=106…108В/см возникает электростатическая эмиссия электронов. Врезультате число электронов резко возрастает.7.Областьдуговогоразряда.Дляэтогоразрядахарактерны малое напряжение U и большой ток I. Различаютдвеформыдуговогонесамостоятельный.разряда:самостоятельныйСамостоятельныйдуговойиразрядподдерживается за счет явлений, происходящих в самомразряде.

Несамостоятельный дуговой разряд поддерживаетсяпосторонним источником электронной эмиссии (например,термокатодом).Основными участками тлеющего разряда являютсякатодная область I, столб разряда (плазма) II, анодная областьIII.Катодная область с катодным падением потенциала UКявляется источником электронов (за счет поверхностнойионизации).Столб разряда представляет собой плазму, в которойконцентрацииэлектроновиионовравны,ападениенапряжения мало. В анодной области наблюдается небольшоепадение U.Газоразрядная плазма, состоящая из электронов, ионови электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов,генерирующая различные виды излучений, также можетслужить инструментом для обработки материалов.С ее помощью можно осаждать металлические идиэлектрическиепленки,вытравливатьматериалчерезрезистивную маску после операций микролитографии, а также,получатьионныеинтенсивности.иэлектронныеПлазменнаяпучкиобработка,большойзаменившаяжидкостное травление, получила название "сухое травление".Ионноетравлениеобрабатываемогоматериалавзаимодействияинертногогаза–разрушениеизафизическогосчетускоренных(бомбардировки)споверхностьюудалениематериалаионов(например,полупроводниковой кремниевой подложки).

Энергия ионовсоставляет при этом 0,5…10 кэВ.Давление инертного газа (Ar) P=1…100 Па, напряжениекатода UK=-1…10 кВ, катод – холодный.Плотность ионного тока на мишени невелика IИОН=1…5мА/см2, поэтому скорость травления материала обычно малаV=1нм/с.Установка ионноготравления диодного типа1 – катод – мишень; 2 – корпус – анод; 3 – натекатель;4–полупроводниковая подложка; 5 – газовый разряд (тлеющий)Ионное распыление для осаждения тонких пленокПри осаждении тонких пленок в вакууме существуютразличные методы генерации потока частиц: методтермического испарения, метод распыления материаловэлектронной бомбардировкой или ионной бомбардировкой.Газовый разряд (тлеющий или аномально тлеющий)зажигается при напуске рабочего инертного газа и активныхгазов (O2, N2 и др.) до давления P=1…100 Па и подаченапряжения на катод – мишень UK=-1…5 кВ (катод –холодный).Выбиваемые с поверхности мишени атомы и молекулыпокидают её и осаждаются в виде тонкой пленки наповерхности подложек.

Активные газы, взаимодействуя сосаждаемым материалом, образуют нужные химическиесоединения (окислы, нитриды и др.).Схема установки ионногораспыления диодного типа1 – катод; 2 – анод; 3 – полупроводниковая подложка; 4 – атомыи молекулы материала мишени; 5 – ионы инертного газа; 6 –натекательПлазменная обработка осуществляется при давленииниже атмосферного ипоэтому совместима с другими"вакуумными" процессами - электронно- и ионнолучевыми,лазерными, рентгеновскими и др.Формирование микротопологии или микрорельефа наобрабатываемых изделиях осуществляется повторением цикла,включающего три группы операций: 1) получение тонкихпленок и слоев; 2) микролитография (фото-, электроно-, ионои рентгенолитография); 3) травление топологического рисункаилимикрорельефа.Благодаряиспользованию"сухоготравления” геометрические размеры рисунка могут бытьполучены с погрешностью менее 0,1 мкм.Использование газоразрядной плазмы дляформирования ионных пучковГазоразрядная плазма при давлениях P=103…10-1 Паможет быть использована для формирования ионных пучковбольшой интенсивности.

Рассмотрим различные типыионных источников.Ионный источник с горячим катодом состоит изразрядной камеры 5, источника электронов - накаливаемогокатода 1, анода 2, экстрактора 3 (устройства для вывода ионовиз разрядной камеры и их ускорения), системы подачи газа придавлении P=103…10-1 Па (Ar, N2, O2 и т.д.).Основным достоинством таких источников являетсявозможность получения высокоинтенсивных пучков ионов (сэнергией до 105 эВ), главным недостатком – быстроеразрушение термокатода при использовании химическиактивных газов.Ионный источник с горячим катодом1 – накаливаемый катод; 2 – анод; 3 – экстрактор; 4 –система подачи газа; 5 – разрядная (ионизационная)камераИонный источник с холодным катодоми разрядом ПеннингаИсточник ионов с холодным катодом и разрядомПеннинга содержит соленоид для повышения эффективностиионизацииэлектронов).счет(заИонысамостоятельногоудлинениятраекториидвиженияизплазмы«вытягиваются»газовогоразрядачерезотверстиевантикатоде и ускоряются системой экстракции.Срокслужбыкатодапревышает1000часов.Недостатками источника являются малая величина ионноготока IИОН пучка (до 100 мкА), большие пульсации тока ивозможностьиспользованиягазообразных веществ.дляионизациитолькоИонный источник с холодным катодоми разрядом Пеннинга1 – катод; 2 – антикатод; 3 – анод; 4 – соленоид; 5 – системаэкстракцииПараметрамигазоразряднойплазмыявляются:состав и концентрация частиц, температура электронов иионов, плазменное давление и др.В плазменных технологиях в качестве рабочего газадля обработки материалов чаще других используются Ar, O2,N2, H2, CF4, CCl4, SiH4, различные углеводородные соединенияCxHy при давлении от 0,65 до 250 Па; концентрация ионов вплазме составляет порядка 1010 ион/см3, а электронов - 108 1010 эл/см3; энергия электронов может составлять 1,2 - 30 эВ,а частота ВЧ-плазмы может изменяться в диапазоне 3,5 - 27МГц.Явления в газоразрядной плазмеи ее энергетические характеристикиU0kTe1 2e e3+Плазма4-eene»ni8+ne<<ni5+e6+7ehe+++Æ-UмU0 – прикатодный потенциал; h – толщина прикатодной области– темного катодного пространства; ne и ni – концентрациясоответственно электронов и ионов; kTe – энергия электрона; Um –потенциал мишени.Виды плазменной обработки материалов зависят отэнергетических характеристик плазмы и доминирующеговлияния одного из эффектов в пространстве между областьюгазового разряда и электродами:1 – уход быстрого электрона; 2 – отражение медленногоэлектрона; 3 – инжекция иона; 4 – отражение отрицательногоиона; 5 – рассеяние на нейтральной частице; 6 – обмен зарядаиона с нейтральной частицей; 7 – эмиссия вторичногоэлектрона; 8 – ионизация электронным ударом.Распределение энергии электронов в плазмеи вероятность образования ионов аргонаf(Ee)lg f (Ee > E иониз .