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.