Источники широких пучков быстрых молекул газа и атомов металла на основе тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов

• Автор: Мельник, Юрий Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 177 с. : ил.

Глава 1. Основные методы нанесения покрытий в вакууме

1.1. Получение в вакууме пара осаждаемого материала

1.2. Активация поверхности подложки и повышение подвижности атомов осаждаемого покрытия

1.3. Источники ионов для сопровождения осаждения покрытий

1.4. Характеристики тлеющего разряда в трех диапазонах давления

области эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ)

1.5. Зависимость характеристик тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов (ТРЭУЭ) от расположения анода и площади его поверхности

1.6. Влияние на ТРЭУЭ катодного распыления

1.7. Получение с помощью ТРЭУЭ плазменного эмиттера ионов

1.8. Источники быстрых нейтральных атомов и молекул

1.9. Выводы
Глава 2. Характеристики источников широких пучков быстрых молекул с объемом электростатической ловушки 0,01-0,1 мJ
2.1. Взаимозависимость плазменного эмиттера источника и вторичной
плазмы за эмиссионной сеткой в среднем диапазоне области ЭЭЛ
2.2. Исследование зависимости верхней границы рабочего диапазона давления источника от геометрических параметров ловушки и сетки
2.3. Зависимость угла расходимости ускоренных частиц от первеанса
^ пучка и геометрических параметров сетки
2.4. Зависимость от давления газа распределения тока пучка
по его сечению

2.5. Предотвращение перехода сильноточного тлеющего разряда в дугу
в мощных источниках с секционированными катодами и сетками
2.6. Выводы

Глава 3. Условия поддержания разряда с электростатическим удержанием электронов в источниках с малым объемом ловушки 0,001 - 0,01 м3
3.1. Исследование зависимости тока и катодного падения разряда
от тока и энергии бомбардирующих катод электронов
3.2. Зависимость характеристик разряда от потенциала погруженной
в плазменный эмиттер мишени
3.3. Предотвращение распада анодной плазмы двойного слоя в источниках
с перепадом давления между полым анодом и ловушкой
3.4. Выводы
Глава 4. Практическое применение результатов исследований
* 4.1. Травление поверхности быстрыми атомами и молекулами
4.2. Сопровождение осаждения покрытий медленными молекулами
4.3. Нагрев, травление и осаждение покрытий с помощью универсальных источников электронов, быстрых молекул и металлического пара
4.4. Выводы
Заключение
Литература

Газовый разряд и пучки ускоренных частиц широко используются для модификации свойств поверхности. Для однородной обработки ускоренными частицами изделий размером ~ 10 см и для осаждения на их поверхность однородных покрытий расстояние от источников, как ускоренных частиц, так и медленных атомов осаждаемых материалов должно превышать указанный размер, а длина свободного пробега частиц должна быть еще больше. При комнатной температуре длина свободного пробега молекул газа при давлении 1 Па немного меньше 1 см. Следовательно, давление газа в рабочей вакуумной камере должно быть меньше 0,1 Па.
При таком низком давлении необходимые для модификации поверхности частицы получают с помощью вакуумно-дугового [1] и высокочастотного [2] разрядов, а также с помощью разрядов в магнитном поле [3,4]. Например, камеры объемом до 1 м 3 заполняют однородной плазмой с помощью разряда с термоэмиссионными катодами и мультипольной магнитной системой на стенках камеры, являющейся для плазменных электронов магнитной ловушкой [5]. В последнем случае в качестве термоэмиссионных катодов часто используют цилиндрические полые катоды из тугоплавкого металла или гексаборида лантана, накаливаемые током до 100 А ионов с энергией в десятки эВ [6].
Тлеющий разряд с холодным полым катодом [7], являющимся для плазменных электронов электростатической ловушкой, долгое время не применялся для модификации большой поверхности. Причиной тому сравнительно высокое рабочее давления газа, заметно превышавшее 1 Па во всех известных случаях. Лишь в восьмидесятые годы впервые было экспериментально доказано, что рабочее давление разряда можно снизить до 0,01 Па, уменьшив апертуру £0 ухода электронов из электростатической ловушки [8]. Это расширило диапазон применений тлеющего разряда без магнитного поля для модификации поверхности, а также для решения других задач.

оказывает двойной электростатический слой, возникающий в том случае, когда плотность направленного тока плазменных электронов приближается к величине плотности их хаотического тока в плазме. В работе [8] получен и подтвержден экспериментально критерий образования двойного слоя в ТРЭУЭ с анодом, расположенным за пределами ловушки,
й < £* = (2т/М)Ш8к, (13)
где 5К и 5В - площади катода и выходного отверстия ловушки, через которое электроны движутся на анод, аииМ- массы электрона и иона. Если анод находится внутри ловушки, а площадь его поверхности 5а также меньше критической площади .б1*, то вблизи него образуется анодная плазма, потенциал которой выше потенциала анода. Между ней и катодной плазмой, заполняющей все остальное пространство ловушки, также располагается двойной электростатический слой.
Падение потенциала на двойном слое С/с не зависит от параметров ловушки и практически не зависит от 6*0- С уменьшением давления газа С/с возрастает от ~ 10 В до ~ 40 В, а далее анодная плазма двойного слоя распадается, и он вырождается в слой отрицательного объемного заряда электронов с падением потенциала на нем от единиц до десятков киловольт. Давление распада определяется лишь критической плотностью молекул газа пс ~ 0,75x10 14 см~3 для аргона и«с~ 5x10 14 см-3 для гелия, что при комнатной температуре газа соответствует давлению р аргона ~ 0,3 Па и давлению гелия ~ 2 Па [20]. При достаточном напряжении источника питания такой разряд [86] при р < 0,1 Па позволяет с вогнутой плазменной границы фокусировать узкие электронные пучки с током до 20 А и энергией до 50 кэВ.
Если же напряжение источника питания не превышает 1 кВ, то распад анодной плазмы приводит к погасанию разряда. Поэтому, если нужен не электронный пучок, а однородный плазменный эмиттер ионов при давлении газа 0,01 - 0,1 Па, площадь анода £а (или отверстия между ним и ловушкой £в)