Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 4 10;11,12 Тонкие пленки углерода. I. Техника выращивания пучками заряженных частиц й А.П. Семенов, И.А. Семенова Отдел физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН, 670047 Улан-Удэ, Россия e-mail: semenov@pres.bsc.buryatia.ru (Поступило в Редакцию 28 марта 2003 г. В окончательной редакции 18 августа 2003 г.) Рассмотрим источник ионов и электронов на основе магнетронного разряда с холодным полым и неохлаждаемым стержневым катодами с улучшенными физическими и общетехническими характеристиками.

Введение из катода 3 с коробчатой полостью. На оси коробчатой полости соосно выходной апертуре установлен с Создание оборудования выращивания тонких пленок зазором катодный стержень 2 диаметром 0.25-4 mm, распылением ионными пучками сводится к разработке который при измерении тока в его цепи электрически эффективных, повышенной надежности газоразрядных изолировался от полого катода 3, и образует зазор с ионных источников, среди которых более технологичны- отверстием в катоде 6. Стержень коаксиально охватыми выглядят конструкции на основе разрядов с холод- вается цилиндрическим анодом 1 диаметром 18 mm и ным катодом [1]. Общепризнанная выгода использования длиной 12 mm. Индукция осевого магнитного поля 0.1 T разрядов с холодным катодом для получения распылясоздается в анодном цилиндре кольцевым магнитом 5.

ющих ионных пучков обусловлена предельно высоким Через отверстие в отражательном катоде 6 осуществляресурсом > 103 h горения разрядов на химически акется откачка рабочего газа. Оно также может служить тивных газах (ресурс прямонакального термокатода в эмиссионным каналом при использовании разрядного таких условиях < 10 h) со сравнительно низкой ценой устройства в качестве генератора плазмы плазменного извлеченного иона, достигаемой благодаря уменьшению источника электронов или ионов либо эжекторным сопподводимой к разряду мощности за счет экономии на налом, выводящим поток атомарных частиц при использокальной мощности. Не менее значимыми достоинствами вании разрядной камеры в генераторах атомарного водоявляются рекордно высокая механическая надежность и рода. Прямое измерение температуры стержня выполняэкономичность конструкций, простота и удобство обслулось пирометром ОППИР-017. Плазмообразующий газ живания. Эти преимущества, удовлетворяющие в доста(воздух) натекал через отверстие 4 на периферии поточной мере требованиям, предъявляемым к общетехлости. Скорость напуска составляла 0.8-1.2mPa m3/s.

ническим характеристикам технологических источников Для измерения параметров плазмы в отверстие каионов, позволяют расширить возможности процессов тода 6 вводился цилиндрический вольфрамовый зонд выращивания тонких пленок.

диаметром 0.05 mm, рабочая длина которого, составлявшая 1 mm, ограничивалась алундовым покрытием остальной нерабочей части зонда. Для высоковольтного Методика эксперимента извлечения заряженных частиц из катодной плазмы разряда использовался ускоряющий электрод, устанавВ получивших применение плазменных источниках ливаемый соосно отражательному катоду 6. Ионный электронов и ионов на базе отражательного разряда с источник на основе магнетронного рязряда с полым кахолодным полым катодом энергия, подводимая к разрядному промежутку, в основном выделяется на электродах и отводится соответствующей системой охлаждения.

Использование этой энергии для повышения эффективности таких плазменных эмиссионных структур становится возможным благодаря размещению на оси разряда неохлаждаемого стержневого катода, при этом электродная структура отражательного разряда с полым катодом преобразуется в структуру электродов магнетронного разряда с полым катодом [2]. На рис. 1 схематически представлена электродная структура магнетронного разряда с полым катодом, в которой катодный электрод Рис. 1. Электродная схема магнетронного разряда с полым накаляется в разряде до температур, достаточных для катодом: 1 Чанод, 2 Ч стержневой катод, 3 Ч полый катод, термоэлектронной эмиссии. Схема электродов состоит 4 Ч напуск газа, 5 Ч магнит, 6 Ч эмиттерный катод.

Тонкие пленки углерода. I. Техника выращивания пучками заряженных частиц электрода до поверхности распыляемой мишени составляло 40-70 mm. Молибденовая печь 5 с резистивным вольфрамовым нагревателем поддерживала температуру подложек в диапазоне 373-1473 K. Печь с подложками размещалась вблизи ускоряющего электрода, причем ростовая поверхность подложек была параллельна распыляемой ионами поверхности мишени. Рабочая камера откачивалась до остаточного давления 10-3-10-4 Pa.

Давление в рабочем объеме при наращивании пленок поддерживалось в пределах 2-3 10-2 Pa.

Рис. 2. Общий вид источника газоразрядной плазмы.

Результаты и обсуждение Свойства магнетронного разряда с полым катодом в значительной степени определяют характеристики газоразрядного источника ионов и электронов рассматриваемого типа. На рис. 4 представлены зависимости токов стержневого кривая (1), полого (кривая 2) и отражательного (кривая 3) катодов и напряжения горения разряда (кривая 4) от тока разряда при радиусе неохлаждаемого стержневого вольфрамового катода rc = 0.75 mm, иллюстрирующие условия горения разряда в области существования различных его режимов. В качестве рабочего газа использовали аргон, воздух, водород, азот, кислород с расходом порядка 1.2 mPa m3/s. При этом среднее давление в катодной полости составляло 10 Pa. На зависимостях можно выделить характерные режимы горения разряда. При малых токах разряда 0.02-0.05 A возбуждается и горит слаботочный магнетронный разряд с растущей вольт-амперной характеристикой. Ток относительно равномерно распределен между катодами.

Проникновению плазмы магнетронного разряда в катодную полость препятствует катодное падение потенциала перед апертурой полости. Прикатодный ионный слой Рис. 3. Конструктивная схема устройства распыления ионным пучком: 1 Ч плазменный источник заряженных частиц, 2 Ч ускоряющий электрод, 3 Ч распылительная камера, 4 Ч держатель мишени, 5 Чпечь, 6 Ч механический привод, 7 Ч заслонка, 8 Ч стабилизированный источник тока разряда, 9 Ч высоковольтный выпрямитель, 10 Ч натекатель, 11 Ч расходометр, 12 Ч баллон с газом.

тодом, общий вид которого показан на рис. 2, был введен в конструкцию вакуумного поста ВУП-5, реконструированного для получения тонких пленок распылением ионным пучком рис. 3. Устройство представляет собой вакуумную камеру 3 с окном для крепления ионного источника 1. Через осевое отверстие в ускоряющем электроде 2 пучок ионов поступал в рабочий объем и попадал на мишень 4. Диск мишени 4 имел диаметр 30-50 mm и был размещен на охлаждаемом проточной водой держателе. Угол между нормалью к поверхности Рис. 4. Зависимости тока стержневого (1), полого (2), отмишени и осевым направлением падения ионного пучка ражательного (3) катодов и напряжения горения (4) от тока 45-60. Расстояние от торцевого среза ускоряющего разряда: rc = 0.75 mm, вольфрам.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 104 А.П. Семенов, И.А. Семенова Температура стержневого катода при различных токах разряда от 360 до 210 V и обусловлено переходом разряда в низковольтную сильноточную форму. С ростом тока Ток разряда, A Температура катода Tc 10-3, K разряда от 0.45 до 0.6 A напряжение горения плавно 0.2 2.3 снижается, температура стержневого катода увеличива0.4 2.ется до 2.6 103 K, токи Ih, Ic и Ir, возрастают, при0.66 2.чем степень роста Ic значительно выше. Совокупность 1.0 2.процессов, протекающих в прикатодной плазме стерж1.32 2.невого катода разрядной системы (рис. 1), определяет 1.77 2.параметры разряда в целом и может рассматриваться по характеру зависимостей (рис. 4) как проявление доминирующего влияния стержневого катода на свойства разряда (момент перехода горения разряда в перекрывает апертуру катодной полости и отделяет режим стержневого катода отмечается скачком напряот полости плазму. Полость не оказывает влияние на жения горения и катодных токов при Id 0.4A) и горение разряда. С ростом тока разряда достигается адекватно проявлению так называемого эффекта полого соотношение lc (ra - rc), где ra Чрадиус апертуры катода при Id 0.1 A. При проявлении определяющего полости, rc Ч радиус стержня, lc Ч протяженность влияния стержневого катода ток стержневого катода области катодного падения потенциала перед апертурой составляет 0.5 разрядного тока, а на полый и отражаполости, происходит разрыв ионной оболочки перед тельный катоды приходится соответственно 0.3 и 0.2.

апертурой полости, плазма с потенциалом, близким к Доля термоэмиссионного тока достигает (0.3-0.35)Id.

анодному Uc 0.8Ud, проникает в катодную полость.

Появление падающей зависимости напряжения горения Протяженность lk уменьшается с увеличением разрядот тока разряда, вероятно, обусловлено изменением ного тока при условии 3IddUd/2UddId < 1 [3]. При этом эмиссионного механизма стержневого катода, когда ставысокие плотности тока в полом катоде определяютновится существенным вклад термоэлектронной эмисся составляющей тока ионов, образованных быстрыми сии в ионизационные процессы в прикатодной области вторичными электронами, поступающими в плазму из разряда. Начальные скорости первичных электронов, области катодного падения потенциала.

покидающих поверхность стержневого катода в резульСтержневой катод накаляется до температуры тате ионно-электронной эмиссии и термоэмиссии, мо2.3 103 K. Источником нагрева катода является энергия, гут существенно различаться. Если предположить, что поступающая из прикатодной области разряда.

начальная скорость термоэлектронов меньше скорости Показания пирометра оценивались с учетом излучеэлектронов, покидающих катод за счет -процессов, то ния плазмы. Температуру Tc измеряли после быстрого в результате этого для термоэлектронов происходит кагашения разряда (см. таблицу). Если принять скорость жущееся усиление магнитного поля и при выполняемом снижения температуры катода 106 K/s, то за время в эксперименте условии lc Rl, где Rl Ч ларморовский распада плазмы 10-5 s измеренная температура будет радиус электрона, можно ожидать снижения напряжения ниже искомой на 10 K. Для измерения Tc на торцегорения разряда. Падающий характер зависимости навом срезе стержня из вольфрама формировался спай пряжения горения от тока разряда значительно снижает с рением, на основе спая образован термоэлектричецену извлеченного иона и повышает энергетическую ский вольфрам-рениевый преобразователь градуировки эффективность.

ВР-5/20. Спай вольфрам-рений разогревался до Tc и не Кроме пирометрических измерений для оценки темнарушал структуру и режим горения разряда. Распрепературы, до которой разогревается в разряде катодный деление тока между катодами существенно изменяется.

стержень, и доли термоэмиссионного тока в катодном Резко возрастает ток полого катода Ih, ток стержневого токе на место катодного стержня 2 (рис. 1) параллельно катода Ic увеличивается незначительно, ток отражаустанавливались два близко расположенных стержня из тельного катода Ir уменьшается. Напряжение горения вольфрама и рения, изолированных друг от друга и от разряда скачком снижается от 525 до 350 V. Участок полого катода 3. Диаметры стрежней и расстояние меж0.2 < Id < 0.4 A характерен режиму горения тлеющего ду их осями составляли соответственно 0.25 и 0.75 mm.

разряда с полым катодом, для которого ток полого Ток каждого катодного стержня можно рассчитать по катода существенно превышает токи стержневого и отражательного катодов. Напряжение горения незначи- формуле тельно увеличивается. При токах разряда 0.4 A изменяIc = Ii(1 + ) +Ie, (1) ется режим горения разряда. Температура стержневого где Ii Ч ионный ток на стержень, Ie Ч термоэмиссионкатода быстро растет от 2.3 103 до 2.5 103 K. Резко ный ток, Ч коэффициент ионно-электронной эмиссии.

увеличивается ток стержневого катода от 0.05 до 0.2 A, ток полого катода уменьшается от 0.3 до 0.17 A, причем Полагая, что ионные токи на стержни равны и разIc > Ih. Перераспределение катодных токов характери- личие в их охлаждении термоэмиссионными токами, а зуется резким снижением напряжения горения разряда также в значениях и (излучательная способность) Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Тонкие пленки углерода. I. Техника выращивания пучками заряженных частиц наблюдаемая разница токов I определяется в основном различием их термоэмиссионных свойств. Поскольку разогрев катодного стержня приводит к значительному увеличению эмиссионного тока с него за счет термоэлектронной эмиссии, можно ожидать, что мощность, которую необходимо подводить к разрядной системе для получения определенного разрядного тока, будет зависеть от термоэмиссионных свойств этого стержня.

Оценим возможность получения падающей вольтамперной характеристики разряда в результате термоэмиссии с катодного стержня при следующих допущениях: плазма имеет потенциал, близкий к потенциалу анода (потенциал плазмы U0) определялся в точке перегиба вольт-амперной характеристики одиночного цилиндрического зонда, U0 (0.8-0.85)Ua (Ua Ч потенциал анода); градиент плотности плазмы вдоль катодного стержня незначителен; стержень равномерно разогревается по длине ионами, ускоренными в прикатодной области;

слой пространственного заряда между плазмой и катодРис. 5. Расчетная зависимость разности тока стержней от ным стержнем бесстолкновительный (давление рабочего температуры (1) и экспериментальная зависимость от тока газа в разрядной камере сравнительно низко 0.9-1Pa, разряда (2).

при этом выполняется условие e > lc, e Ч длина свободного пробега электронов, lc Ч протяженность катодного падения потенциала, который определяется незначительно, разность токов стержней в разряде мож- законом степени 3/2).

но представить в виде Ток стержневого катода можно представить в виде I = IcW - IcRe (IeW - IeRe). (2) Ic = K1Id, (4) Термоэмиссионный ток рассчитывался по формуле где K1 Ч коэффициент, определяемый из эксперименРичардсона-Дэшмана тальной зависимости Ic(Id) (рис. 6).

Ie = ATc2Sc exp(-e0/kTc), (3) где Tc Ч температура катодного стержня, Sc Чплощадь стержневого катода, k Ч постоянная Больцмана, 0 Ч работа выхода, A Ч эмиссионная константа.

В расчетах принималось для вольфрама A = = 7.5 105 A/m2 K2, 0 = 4.54 eV; для рения соответственно 2.6 106 A/m2 K2 и 5.0 eV.

На рис. 5 представлены расчетная I(Tk) и экспериментальная зависимости I(Id), где Id Ч ток разряда, сопоставление которых позволяет оценить температуру стержней при разных Id. Например, для тока разряда 0.5 A измеренная разность токов стержней соответствует значению I в точке A (рис. 5). Этой разности на зависимости I(Tc) соответствует температура 2.53 103 K (точка B на рис. 5). Изменение Id от 0.6 до 2 A соответствует возрастанию температуры катодных стержней от 2.6 103 до 2.78 103 K.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам