ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 3, с. 139-143
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 537.534.2
ИСТОЧНИК ИОНОВ ГАЗОВ, ПАРОВ И ИОНОВ МЕТАЛЛОВ И УГЛЕРОДА НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
С ПОЛЫМ КАТОДОМ
© 2010 г. А. П. Семенов, И. А. Семенова
Отдел физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8 Е-таП: semenov@pres.bscnet.ru
Поступила в редакцию 17.08.2009 г. После доработки 26.10.2009 г.
Разработан компактный источник ионов газов, паров и ионов металлов и углерода на основе отражательного разряда с холодным полым катодом, в котором распыляемая ионами аргона с энергией до 10 кэВ плоская мишень (Си, Мо, ^ С) диаметром 6 мм устанавливается на дне изолированного от нее полого катода. Плотность потока ионов из катодной плазмы достигает 100 мА/см2 при ускоряющем напряжении до 10 кВ и токе разряда 0.2—0.5 А. Пары, образующиеся при ионном распылении мишени, ионизуются в катодной и анодной полостях. Пучок, содержащий ионы плазмообразующего газа и пара, извлекается через канал в отражательном катоде. Вместе с ионами выходит часть пара распыляемой мишени, поток которого достаточен для выращивания со скоростью ~0.03 нм/с слоев на расстоянии 10 см от эмиссионного канала в условиях воздействия пучка ионов. Доля ионов металла в извлекаемом пучке составляет 0.05—0.1. Полный ток ионного пучка 20—30 мА.
ВВЕДЕНИЕ
К конструкциям плазменных источников положительных ионов газов и металлов, особенно работающих в тяжелых вакуумных условиях (воздействие химически активной газовой среды, внезапное повышение давления), предъявляются повышенные требования надежности и эффективности, обеспечения достаточно высоких параметров эмитирующей плазмы и сравнительно больших токов стационарных ионных пучков.
Приемлемые параметры плазмы для ионного распыления мишеней [1, 2] достигнуты при разработке источников с пучками ионов малого сечения, например ионных источников на основе отражательного разряда с холодным полым катодом (коробчатая форма катодной полости) [3, 4]. Такие эмиттеры сочетают значительные токи ионных пучков и простоту конструкции. Коробчатая форма катодной полости обеспечивает необходимое неоднородное распределение концентрации плазмы, способствующее генерированию пучков ионов с высокой плотностью эмиссионного тока [5]. Ионный пучок обычно извлекается через отверстие в отражательном катоде [6, 7]. Однако практически отсутствуют данные об ионном токе через отверстие в катодной полости. Недостаточно сведений о том, насколько и в каких случаях необходим и существен выход ионов из отверстия в полости. Предполагается, что эмиссия ионов через отверстие в полом катоде может
быть полезной для образования избыточного давления паров металла ионным распылением мишени, обуславливая, в частности, применение отражательного разряда с холодным полым катодом в источнике ионов металлов и газов. Известно [8], что распределение ионного тока по катоду в отражательном разряде с полым катодом неоднородно. Это позволяет сосредоточить значительную долю тока эмитируемых плазмой ионов на мишени с высоким отрицательным потенциалом и существенно повысить плотность тока распыляющих мишень ионов и скорость распыления [9].
Таким образом, принятый подход заслуживает самостоятельного обсуждения и обусловливает тип конкретного ионного источника, конструктивная схема и принцип действия которого рассматриваются в данной работе.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 представлена схема макета источника ионов газов и металлов. Отражательный разряд с полым катодом, имеющий свойства аномального тлеющего разряда, возбуждается в разрядной камере, образованной катодами 1 и 2 с осевыми отверстиями 0 8 мм и цилиндрическим медным анодом 3 с отверстием 0 16 и длиной 12 мм. Расстояние между отражательным и полым катодами 10 мм. Анализ влияния радиуса анода и расстояния между катодами показывает, что их увеличе-
СЕМЕНОВ, СЕМЕНОВА |Вода
3
Рис. 1. Конструктивная схема ионного источника. 1 — полый катод; 2 — отражательный катод; 3 — анод; 4 — постоянный кольцевой магнит; 5 — внешний электрический разъем; 6 — мишень; 7 — отверстие в полом катоде; 8 — катодная вставка; ИПу, ИП2 — высоковольтные источники питания.
ние приводит к снижению концентрации осевой плазмы. Катоды 1 и 2, изолированные от анода 3 фторопластовыми прокладками, изготовлены из магнитной стали и служат полюсными наконечниками кольцевого магнита 4.
Продольное магнитное поле в анодной полости с индукцией 0.1 Тл создается кольцевым постоянным ферритовым магнитом 4. Тепло от катодов и магнита отводится к медному корпусу разрядной камеры, охлаждаемому проточной водой. Анод 3 соединяется внутренним разъемом с внешним электрическим разъемом 5. В центре дна полого катода 1 на изолированном от катода держателе установлена охлаждаемая водой плоская медная мишень 6 диаметром 6 мм. Расстояние между плоскостью дна полого катода и мишенью 4 мм. Катодная полость сообщается с анодной полостью через отверстие 7 диаметром 4 мм. В осевом отверстии катода 2 крепится катодная вставка 8 в форме тора 0 8 мм с проходными отверстиями 0 3.5 мм, образующая эмиссионный канал. Экспериментально подобранные размеры катодной вставки обеспечивают устойчивую плазменную фокусировку ионного пучка, извлекаемого из катодной плазмы дополнительным ускоряющим электродом [3] (на рис. 1 ускоряющий электрод не показан). На токопроводящую мишень 6
подается напряжение до 10 кВ от регулируемого источника питания ИЩ.
Пары металла, образующиеся при распылении мишени 6, поступают в катодную и анодную полости. При этом значительная часть пара выходит из разрядной камеры в направлении извлечения ионного пучка. Пары металла, проходящие через эмиссионный канал, используются для выращивания наноразмерных слоев заданной структуры [9].
Разрядное напряжение подается от стабилизированного источника тока ИП2 на анод — электрически соединенные катоды. Напряжение горения для разрядных токов 0.1—0.5 А составляет 350—380 В. Рабочий газ — аргон. Его давление в катодной полости 5—13 Па. Газ напускают через отверстие на периферии полого катода.
При подаче от источника ИП2 напряжения в несколько сотен вольт между катодами и анодом зажигается отражательный разряд. Полый анод 3 заполняется плазмой, слабое свечение которой можно наблюдать через отверстие 8. При определенном критическом токе отражательного разряда протяженность участка катодного падения напряжения 1к перед отверстием 7 становится соизмеримой с поперечными размерами отверстия, в результате ионная оболочка разрывается и плазма
проникает в катодную полость. Условие проникновения плазмы [10]
1к ^ Гп, (1)
где гп — радиус отверстия в полости. Проникновение плазмы сопровождается усилением разрядного тока, снижением напряжения горения, появлением тока в катодной полости и ярко светящегося плазменного шнура на оси разряда, что позволяет говорить о разряде с полым катодом. Плазма приобретает высокую эмиссионную способность. При подаче на мишень 6 от источника ИП[ напряжения до 10 кВ отрицательной относительно катода 1 полярности однократно заряженные ионы аргона из катодной плазмы ускоряются до энергии в несколько килоэлектронвольт и бомбардируют мишень 6. Мишень распыляется и одновременно эмитирует вторичные электроны с энергией, равной энергии ионов. Пары ионизуются в катодной и анодной полостях, часть осаждается на стенки полого катода, часть проникает в эмиссионный канал. Пары со стенок тут же распыляются, но уже ионами, ускоренными в катодном падении напряжения ик~ 0.85 Ц, (где Ц, — напряжение горения разряда 350—380 В), так как пороговая энергия распыления существенно меньше ик. При этом атомы пара получают кинетическую энергию, превышающую энергию связи (сублимации поверхности), которая составляет 0.645—8.76 эВ [11]. Заметный вклад в снижение потерь пара дает распыление ионами пара со стенок катода.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Зависимости тока распыляющих ионов от тока разряда 1р (рис. 2, кривые 2—4) получены при относительно малой толщине слоя d пространственного заряда между плазмой и мишенью. При нулевом напряжении тепловой ионный ток на мишень линейно растет (кривая 1) благодаря увеличению концентрации ионов в невозмущенной плазме вблизи мишени 6 (рис. 1). Обычно потенциал мишени оказывается ниже потенциала плазмы. В этом случае мишень 6 выполняет функции коллектора ионов, покидающих плазму. Плотность ионного тока определяется соотношением Бома:
и = 0.4 вщ
/ \1/2 г2кГвл
М,-
(2)
в о н о и х
и щ
ю я л ы п с
а р
к о Т
30
20
10
20
- 12
^.4
а к
п
о г о н н о и к о Т
0.2 0.4
Ток разряда, мА
0 15 10 15 20
Ускоряющее напряжение, кВ
Рис. 2. Зависимости тока распыляющих ионов на мишень (1—4) от тока разряда (напряжение разряда Ц, = = 350 В, ускоряющее напряжение Ц кВ: 0 (1), 1 (2), 5 (3), 10 (4); рабочий газ — аргон; медная мишень); зависимости тока ионного пучка (5), содержащего ионы (Аг+ + Си+), и тока распыляющих ионов на мишень (6) от ускоряющего напряжения (ток разряда 1р = 0.2 А).
тирующей плазмы от тока разряда из выражения эмиссионного тока [12]
I { =чп,(Я - Кп-1/2ик/4)2,
(3)
(пкГЛ
где п = в I-в I
\ 2т !
1/2
, Я — радиус эмиссионного кана-
ла; К =
вкТв
1/4
, е0 — диэлектрическая постоян-
ч1.21б 0,
ная, п1 ~ А1р, А — коэффициент пропорциональности, показывает, что при 1р > 0.25 А [12] концентрация плазмы в эмиссионном канале слабо зависит от тока разряда. Экспериментально наблюдаемые перегибы на кривых 2—4 при 1р ~ 0.2 А качественно согласуются с ходом расчетной зависимости п(1р) [12]. С другой стороны, с определенными допущениями плотность ионного тока в бесстолкновительном приближении может выражаться "законом степени 3/2":
где п1 — концентрация плазмы, Те — электронная температура, к — постоянная Больцмана, М] — масса иона, e — заряд электрона.
Характерной особенностью зависимостей 2—4 на рис. 2 является их немонотонность, что может быть обусловлено немонотонной зависимостью п(1р) [12]. Расчет зависимости концентрации эми-
и - 9
2е V М,,
\1/2
и
3/2
й2
(4)
где и — ускоряющее напряжение. В этом выр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.