Ионное распыление медного катода на установке ПС-1

 

Национальный Исследовательский  Институт

Московский Энергетический Университет

 

 

 

Кафедра общей физики и  ядерного синтеза

Курсовой проект на тему:

 

 

 

 

 

 

«Ионное распыление медного катода на установке ПС-1»

 

 

Студент: Ермаков Г.Е.

Группа: ТФ-13-08

Научный руководитель: Жильцов  В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012 г

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ  ----------------------------------------------------------------------------- 7

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРОЦЕССА ИОННОГО  РАСПЫЛЕНИЯ ----------------- 9

1.1. Основные принципы распыления -------------------------------------- 9

1.2. Режимы распыления ------------------------------------------------------ 9

1.3 Понятие коэффициента распыления ----------------------------------- 11

1.4 Образование металлической плазмы ----------------------------------- 11

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ  ПС-1 --------------------------------- 12

2.1. Элементы установки  ПС-1 ----------------------------------------------- 12

2.2. Схема и устройство первой очереди установки ПС-1 -------------- 13

2.3. Источник металлической плазмы --------------------------------------- 14

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ---------------------------------------- 16

3.1. Расчет коэффициента  распыления -------------------------------------- 16

3.2. Энергетические распределения распыляемых атомов -------------- 23

3.3. Угловые распределения  распылённых атомов меди ---------------- 26

ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РАСПЫЛЕНИЯ ---28

4.1 Устройство для передачи движения в вакуумный объём ----------- 28

4.2 Описание конструктивных  элементов штанги ------------------------ 29

ГЛАВА 5. ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ  АППАРАТУРА ----------------------------- 31

5.1 Оптическая диагностика --------------------------------------------------- 31

5.2 Описание установки монохроматора МДР-12 ------------------------- 31

5.3 Тип ФЭУ и его характеристики ------------------------------------------- 34

ГЛАВА 6. РАСЧЕТ ДЛИНЫ ИОНИЗАЦИИ АТОМОВ МЕДИ --------------- 36

ГЛАВА 7. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ --------------------- 39

ГЛАВА 8. КОЭФФИЦИЕНТ ЗАХВАТА ------------------------------------------- 42

ГЛАВА 9. ЭКСПЕРИМЕНТ ----------------------------------------------------------- 46

9.1 Зависимость интенсивности распыления от давления

     в установке ---------------------------------------------------------------------46

9.2 Интенсивность распыления при разных положениях катода ------- 50

9.3 Интенсивность распыления от напряжения на катоде --------------- 55

ЗАКЛЮЧЕНИЕ --------------------------------------------------------------------------- 57

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ -------------------------------------------------------------- 58

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Распыление твёрдых тел  – это разрушение твёрдых тел  под действием бомбардировки  их поверхности заряженными и  нейтральными частицами (атомами, ионами, нейтронами, электронами и др.) и  фотонами. Впервые наблюдалось как  разрушение катода в газовом разряде (отсюда термин "катодное распыление.")

При бомбардировке поверхности  твердого тела отдельными атомами, ионами, молекулами, имеющими энергию, большую  энергии связи атома тела, материал мишени распыляется.  Для бомбардировки  мишени удобно использовать заряженные частицы- ионы, поскольку они легко разгоняются до требуемой энергии в электрическом поле. В частности, в качестве источника ионов можно использовать газоразрядную плазму низкого давления, из которой положительные ионы вытягиваются отрицательно заряженной мишенью (катодом). Такой способ распыления называется ионно-плазменным, и он был принят для создания металлической плазмы в плазменном сепараторе ПС-1 при распылении металлических катодов, в том числе мультикомпонентных.

Процесс ионного-плазменного распыления имеет очень важное научное и практическое значение. С одной стороны, он представляет собой весьма сложный физический и химический процесс взаимодействия атомных частиц с твердыми веществами.

Если поблизости от распыляемой  мишени поместить подложку, то часть  атомов мишени попадет на нее и  конденсируется, образуя пленку.

С другой стороны, процесс  распыления вызывает множество нежелательных  последствий. Он сокращает срок службы рабочих элементов в миллионах  электровакуумных ламп, приборов; установок, ионных и газоразрядных приборах, ускорителях заряженных частиц, термоядерных установках. Распыленные частицы  загрязняют высокотемпературную плазму, быстро охлаждают термоядерную дейтериево-тритиевую плазму, прекращая реакцию синтеза. Процесс распыления ограничивает концентрацию внедряемых в металлы, диэлектрики и полупроводники легирующих примесей, улучшающих физико-химические и эксплуатационные свойства изделий и деталей машин.

С третьей стороны, процесс  распыления нашел широкое практическое применение для: очистки поверхностей от загрязнений, получения всевозможных пленок и слоев, соединений многослойных покрытий; фрезерования и сверления  элементов интегральных схем с микронными, субмикронными и нанометровыми размерами; шлифовки и полировки поверхностей; выявления структуры всевозможных твердых веществ; масс-анализа веществ; получения высокого и сверхвысокого вакуума; генерации потоков и пучков ионов и быстрых атомов; борьбы с электрическими пробоями вакуумного промежутка между электродами; определение ориентации граней монокристалла и т.д[1].

Целями данной дипломной  работы являются:

1. Расчет коэффициентов распыления меди ионами различных элементов при разных энергиях.
2. Расчет коэффициента захвата с учетом угловых и энергетических распределений распыленных атомов.
3. Инженерный расчет системы распыления.
4. Создание оптической диагностики для измерения характеристик распыленных атомов и ионов и экспериментальные исследования.

 

 

 

ГЛАВА 1. ОБЗОР  ПРОЦЕССА ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

 

1. Основные принципы распыления

 

Для бомбардировки мишени удобно использовать заряженные частицы - ионы, так как их легко разгонять до требуемой энергии в электрическом поле. Иногда для распыления применяют специальные источники ионных пучков, в которых ионы отсортированы по массам и имеют одну и ту же энергию. Но чаще в качестве источников ионов используют газоразрядную плазму, из которой положительные ионы вытягиваются отрицательно заряженной мишенью. Такой способ распыления называют ионно-плазменным, и он был принят для создания металлической плазмы в плазменном сепараторе ПС-1 при распылении металлических катодов, в том числе мультикомпонентных.

1.2. Режимы распыления

 

Для распыления атома с  поверхности твердого тела необходимо передать ему некоторую энергию, превышающую энергию его связи  с другими атомами вещества (Eсв).

Это означает, что для  различных пар распыляющий ион (атом) - атом твердого тела существует минимальная энергия падающего  иона (атома), при которой возможна передача поверхностному атому энергии, превышающей Eсв и импульса в направлении границы твердое тело - вакуум. Передача этой необходимой энергии происходит, как правило, не за счет непосредственной передачи энергии и импульса падающей частицы, а через каскад столкновений между атомами твердого тела, получившими необходимую энергию от падающего иона (атома). Различают 3 режима распыления.

Рис. 1 Три режима распыления. (а)Режим первичного выбивания. При столкновении атомы мишени получают достаточную энергию, чтобы вылететь из мишени, но слишком малую, чтобы создать каскад выбитых атомов. (b)Режим  линейного каскада. Атомы, выбитые  из положения равновесия, способны  создать каскад столкновений, но  плотность движущихся атомов  мала для столкновения таких  атомов между собой. (с)Режим тепловых пиков. Плотность атомов отдачи настолько высока, что большинство атомов в районе пика находятся в движении.

 

Интенсивность каскадов атомных  столкновений, приводящих к распылению пропорциональна энергии, передаваемой ионами (атомами), т.е. ядерной тормозной  способности и обратно пропорциональна  энергии связи атомов мишени:

                                                               (5.1.1)

Ускорение ионов при параметрах ПС-1 происходит в узком дебаевском слое вблизи катода, где мала роль столкновений. Поэтому энергия ионов определяется в основном потенциалом катода. При использовании металлических катодов с высокой проводимостью, электрическое поле перпендикулярно к их поверхности и поэтому бомбардировка производится по нормали к поверхности катода[2].

2. Понятие коэффициента распыления

 

Эффективность процесса распыления характеризуется коэффициентом  распыления Y, который определяется как среднее число атомов, удаляемых с поверхности твердого тела одной падающей частицей. В общем случае коэффициент распыления является функцией энергии падающей частицы, соотношения масс бомбардирующей и эмитируемой частиц, температуры мишени, угла падения частицы на облучаемую поверхность и ряда других факторов, определяемых условиями эксперимента.

Как будет показано далее, необходимые коэффициенты распыления, получаются при энергиях ионов в  сотни эВ и выше. Поэтому бомбардировка  катода фактически производится моноэнергетическим пучком, энергетический разброс которого определяется температурой газоразрядной  плазмы (несколько эВ).

3. Образование металлической плазмы

 

Для образования металлической (или газо-металлической) плазмы распыленные  с катода атомы должны захватиться в плазме. Основными механизмами такого захвата являются ионизация атомов электронами и перезарядка. Коэффициент захвата, равный отношению захваченных в плазме ионов к полному числу распыленных с катода атомов, определяется большим числом факторов, в том числе геометрией катода и плазмы, параметрами плазмы, энергетическими и угловыми распределениями распыляемых атомов.

 

 

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ПС-1

 

2.1. Элементы установки  ПС-1

 

В состав ПС-1 входят следующие  системы:

Катодная система для  размещения распыляемых материалов, тепловых экранов, высоковольтных вводов для подачи напряжения смещения.

Генератор плазмы на основе магнитной пробочной ловушки  с диверторной МГД стабилизацией, плазма создается вводом в ловушку СВЧ мощности в условиях ЭЦР.

Система селективного ИЦР  нагрева в однородном магнитном  поле соленоида. ВЧ мощность вводится в плазму с помощью спиральных или винтовых антенн, расположенных  в вакууме вблизи границы плазмы.

Коллекторы для отбора групп элементов из плазменного  потока.

Максимальная напряженность  магнитного поля достигается в месте  расположения катода, 0.8Тл. Напряженность  поля в центре пробочной ловушки 0.25Тл, что соответствует условию  ЭЦР для частоты СВЧ генератора (см. Таблицу 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные параметры установки  приведены в Таблице 1.

 

№	Наименование  параметра	Значение параметра
1	Диаметр плазмы в диверторном объеме (по нулям поля)	0.4 м
2	Максимальный диаметр  плазмы в пробках ловушки	0.15 м
3	Магнитное поле в центре	0.25 Т
4	Максимальное поле в области  катода	0.8 Тл
5	Максимальная плотность  плазмы	1018 м-3
6	Частота СВЧ генераторов	7 ГГц
7	Максимальная вводимая СВЧ  мощность	100 кВт
8	Напряжение смещения	1-5 кВ

 

2.2. Схема и устройство первой очереди установки ПС-1

 

На первой очереди  установки ПС-1 исследуются и отрабатываются следующие технологические процессы:

Атомизация и ионизация твердых материалов при ионном распылении в мощном СВЧ разряде низкого давления в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса.

Селективный ИЦР нагрев ионов  в плазменных потоках для их последующей  сепарации.

Рис. 2 Первая очередь установки ПС-1

В настоящее время проведен физический пуск и выполняется ее комплексная наладка. На (рис. 2) изображены: катодная камера, источник плазмы, соленоид-камера ИЦР нагрева и сборная камера, а также волноводы для подачи СВЧ мощности в источник плазмы.

2.3. Источник металлической  плазмы.

 

Рис. 3 Источник металлической плазмы

Металлический катод расположен на оси системы вблизи пробки-ловушки. На катод может подаваться постоянное отрицательное смещение до 3 кВ. Плазма вытекает вдоль магнитных силовых линий, ионы плазмы ускоряются в дебаевском слое вблизи катода и бомбардируют катод с энергией порядка напряжения смещения. При энергиях свыше десятков вольт происходит эффективное распыление материала в виде атомов. Поток атомов поступает в плазму и ионизуется, т.е. образуется газо-металлическая плазма.

Как говорилось выше, коэффициент распыления Y, равен числу выбитых атомов, приходящийся на один ион, упавший на мишень.

Для стационарного поддержания  разряда требуется коэффициент  распыления порядка единицы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

 

3.1. Расчет коэффициента распыления

 

Как уже было сказано в  основном продуктами распыления являются атомы.

Кроме Y (коэффициента распыления) процесс распыления определяется также дифференциальными характеристиками: энергетическим распределением распылённых частиц, их угловым распределением,  зарядовым распределениями, распределением по состояниям возбуждения, по массам и др.

Для расчета коэффициента распыления воспользуемся теорией  Зигмунда, которая хорошо описывает процессы распыления в области средних и тяжелых масс.

Для распыления атома с  поверхности твердого тела необходимо передать ему некоторую энергию, превышающую энергию его связи  с другими атомами вещества U₀. Это означает, что для различных пар распыляющий ион (атом) - атом твердого тела существует минимальная (пороговая) энергия падающего иона (атома), при которой возможна передача поверхностному атому энергии, превышающей U₀, и импульса в направлении границы твердое тело - вакуум.

Но при энергиях бомбардирующих частиц ниже некоторого порога коэффициент распыления отсутствует (Y = 0). Величина при нормальном падении ионов на мишень (угол падения = 0) изменяется от 4 , если массы ионов (М_i) и атомов мишени (M_m) близки, до 50 , если М_i М_m.

По мере увеличения коэффициент Y возрастает, проходит через максимум, положение которого зависит от комбинации частица – мишень.

Рис. 4 Расчет коэффициента распыления меди (Cu) ионами аргона (Ar)

На этом графике представлена зависимость коэффициента распыления (Zn_k) от энергии налетающих частиц (E_k). Данная зависимость получена при распылении медного катода  ионами аргона.

Теория Зигмунда  основана на рассмотрении каскадов упругих столкновений, вызванных передачей кинетической энергии от бомбардирующей частицы  атомам мишени. 3 вида этих каскадов были рассмотрены выше.

Интенсивность каскадов атомных  столкновений, приводящих к распылению пропорциональна энергии, передаваемой ионами (атомами), т.е. ядерной тормозной  способности и обратно пропорциональна  энергии связи атомов мишени:

                                                          (3.1.1)

где Z1, Z2, M1, M2 - атомные номера и массы бомбардирующего иона (Ar) и атома твердого тела (Cu), соответственно; e – заряд электрона; a_e - радиус экранирования:

                                                                     (3.1.2)

a₀ = 5,29·10-11 м - первый боровский радиус; – универсальная табулированная функция, зависящая от точного вида экранированного кулоновского потенциала. Определяется эта функция из табл. 2

Приведенное сечение ядерного торможения для взаимодействия Томаса-Ферми по Линхарду.                                                                                   Таблица 2

0,002	0,120	0,04	0,311	1,0	0,356	10	0,128
0,004	0,154	0,1	0,372	2,0	0,291	20	0,0183
0,01	0,211	0,2	0,403	4,0	0,214	40	0,0493
0,02	0,261	0,4	0,405

 

где - приведенная энергия Линдхарда:

                                                                                (3.1.3)

При E=1кэВ =10^-2,    (из Табл. 2)..

Оценка вклада электронных  тормозных потерь показывает, что  при энергиях распыляющих частиц больше чем А кэВ, где А - атомный номер распыляющей частицы электронными тормозными потерями можно пренебречь. Это условие практически всегда выполняется при ионно-плазменном распылении.

На основе представлений  о тормозных потерях Зигмунда получено соотношение :

                                                                                   (3.1.4)

где - не зависящая от энергии функция отношения масс распыляющего иона (атома) и атома[3].

                                            (3.1.5)

В этом случае можно посчитать  пороговую энергию

                                         (3.1.6)

 

 

 

 

 

Тогда     

                                                                       (3.1.7)

;                                                       (3.1.8)

Ниже представлены графики  по расчету коэффициента распыления для различных химических элементов.

На рис. 5 – 8 ось Zn_k - обозначает коэффициент распыления, а ось Е_k- энергетический спектр.

Воспользовавшись формулами Мацунами (3.1.6)-(3.1.8) мы можем определить пороговое значение, где коэффициент распыления отсутствует.

Можно наблюдать, что на рис. 5 пороговое значение будет ~ 20 эВ.

Рассмотрим каждый из 5 графиков по расчету коэффициента распыления в отдельности в интересующей нас области энергий ионов от 100 эВ до 10 кэВ.

На графике 5 мы видим, что при коэффициенте распыления равном 1, энергия составляет 0,5 кэВ, а максимальное значение коэффициента распыления будет достигнуто при 55 кэВ.

На графике 6 мы можем наблюдать, что при коэффициенте распыления равном 1, энергия составляет уже 0.4 кэВ, а максимальное значение коэффициента распыления будет достигнуто при 90 кэВ. Значит энергии, которая необходима для максимального коэффициента распыления Cu-Cu требуется на 35 кэВ больше, чем в случае распыления Cu-Ar.

На графике 7 мы можем видеть, что при коэффициенте распыления равном 1, энергия составляет 0.35 кэВ, а максимальное значение коэффициента распыления будет достигнуто при 600 кэВ. Значит энергии, которая необходима для максимального коэффициента распыления Cu-Xe уже требуется на 545 кэВ больше, чем в случае Cu-Ar и на 510 кэВ больше в случае Cu-Cu.

На графике 8 мы можем наблюдать, что при коэффициенте распыления равном 1, энергия составляет 0.3 кэВ, а максимальное значение коэффициента распыления будет достигнуто при 6000 кэВ, что в 10 раз привосходит энергию, которая требуется в случае Cu-Хе и примерно 100 раз больше, чем в случае Cu-Cu и Cu-Ar.

Анализируя полученные данные, можно утверждать, что чем больше порядковый номер элемента, который  учувствует в распылении, тем больше требуется энергии, чтобы достичь значения максимального коэффициента распыления.

Рис. 5 Расчет коэффициента распыления меди (Cu) ионами аргона (Ar)

Рис. 6 Расчет коэффициента распыления меди (Cu) ионами меди (Cu)

Рис. 7 Расчет коэффициента распыления меди (U) ионами ксенона (Xe)

Рис. 8 Расчет коэффициента распыления урана (U) ионами урана (U)

3.2. Энергетические распределения распыляемых атомов

 

Исходя из теории Зигмунда распыляемые ионы имеют зависимость функции распределения N(E) от энергии E.

                                                                                 (3.2.1)

Как показывают теория и  эксперименты, для поликристаллических  в среднем диапазоне масс, n=2.

Следовательно  формула преобразуется в следующее выражение:

                                                                                     (3.2.2)

Эта кубическая зависимость  представлена на графике 8 при энергии падающих ионов 2 кэВ. Точками представлены экспериментальные данные[4]. На графике 9 представлены теоретические функции распределения для энергий падающих ионов 0.6 кэВ, 1 кэВ и 2 кэВ.

Рис. 9 Энергетическое распределение распыляемых атомов меди при энергии 2 кэВ.

 

 

 

Рис. 10 Энергетическое распределение распыляемых атомов меди при энергии

0.6 кэВ, 1 кэВ и 2 кэВ.

Так как зависимость функции  распределения от энергии является степенной функцией (в данном случае кубическая), спад этой функции медленный, то средняя энергия намного больше, чем энергия в максимуме функции  распределения распылённых атомов.

Это значит, что очень  много атомов меди будут попадать в плазму с большой энергией, и, следовательно, длины пробегов будут  большими и атомы могут не захватиться в области удержания плазмы.

В Таблице 3 приведены средние значения энергии и значение энергии в пике  распыленных атомов при трех энергиях падающих ионов.

Таблица 3

Энергия при бомбардировке (Eб)	Медь Eср(Cu)	Медь Епика(Cu)
[кэВ]	[эВ]	[эВ]
0.6 1.0 2.0	8.8 10.1 11.1		1.5 1.6 1.8

 

Видно, что средние энергии  в несколько раз превосходят  энергии в пиках.

Запишем функцию распределения  в нормированном на единицу виде.

;                                                             (3.2.3)

Из условия  ; следует ;

следовательно ;                                       (3.2.4)

3.3. Угловые распределения распылённых атомов меди

 

На рисунке 11 представлены экспериментальные точки угловых распределений. Как видно из рисунка, атомы меди вылетают довольно в широком угле. В ряде работ принимается распределение косинусное. Оно близко к косинусу для поликристаллических металлов.

 

Рис. 11 Угловое распределение распылённых атомов меди.

Анализ экспериментальных  результатов показывает, что для  поликристаллических (или аморфных) материалов, угловое распределение  распыляемых атомов в диапазоне  средних и тяжелых масс достаточно хорошо описывается  косинусным распределением (закон Ламберта):

;                                                                                   (3.3.1)

Так как следовательно , где

- плотность потока по нормали  к поверхности,

- угловая плотность потока  в направлении  

- телесный угол в сферической  координате.

Таким образом, выход распыляемых  ионов в энергетическом диапазоне dE, в телесном угле dw  равен:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 4. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РАСПЫЛЕНИЯ

 

4.1 Устройство для передачи движения в вакуумный объём