известия высших учебных заведений № 1/3 физика 2011

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ФИЗИКА
№ 1/3
2011
УДК 537.534.2
А.П. СЕМЕНОВ, И.А. СЕМЕНОВА
ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ И ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ СЛОЕВ
ОСАЖДЕНИЕМ ПАРОВ И ИОНОВ УГЛЕРОДА ПРИ ПРЯМОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНАМИ
ПЛАЗМООБРАЗУЮЩЕГО ИНЕРТНОГО ГАЗА1
Разработан компактный источник ионов газов, паров и ионов углерода на основе отражательного разряда с
холодным полым катодом, в котором распыляемая ионами аргона с энергией до 10 кэВ плоская мишень (графит)
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 на токопроводящие лезвия и
острия со скоростью ~ 0,03 нм/с наноразмерных слоев алмаза на расстоянии 0,1 м от эмиссионного канала, в условиях воздействия пучка ионов. Доля ионов углерода в извлекаемом пучке составляет 0,05–0,1. Полный ток
ионного пучка 20–30 мА.
Ключевые слова: источник ионов, газоразрядная плазма, ионное распыление, осаждение паров и ионов, углеродные слои.
Введение
Общим свойством всех газоразрядных источников ионов углерода является зажигание и горение разряда в парах углерода. Среди различных способов образования паров предпочтительно
распыление мишени в вакууме потоком плазменных ионов. Ионы испускаются плазмой разряда и
ускоряются полем проводящей мишени, имеющей отрицательный потенциал относительно плазмы. В этом случае практически нет температурных ограничений на получение паров углерода.
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 углерода ионным распылением мишени,
обуславливая, в частности, применение отражательного разряда с холодным полым катодом в источнике паров и ионов углерода 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, принцип действия и применение
которого для получения углеродных слоев рассматриваются в данной работе.
Методика эксперимента
На рис. 1 представлена принципиальная упрощенная схема процесса получения углеродных
слоев на токопроводящей подложке, осаждением ионов и паров углерода в условиях воздействия
1
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта 2.7.2.2. СО РАН, частично Фонда содействия отечественной
науке.
218
А.П. Семенов, И.А. Семенова
ионами плазмообразующего инертного газа. Ионы аргона 1 через эмиссионный канал 2 ускоряются напряжением 10 кВ и распыляют графитовую мишень. Пары углерода 3 частично ионизуются
быстрыми вторичными электронами 4. Ионы углерода 5 через эмиссионный канал 6 ускоряются
напряжением 0,12 кВ и осаждаются на токопроводящей подложке. Часть пара 7 с энергией частиц
углерода > 10 эВ напрямую выходит через канал 6 и осаждается совместно с ионами углерода 5,
образуя углеродный слой 8. Наращивание слоя происходит при воздействии ионов 9 плазмообразующего инертного газа.
На рис. 2 представлена конструктивная схема экспериментального макета источника паров и
ионов углерода и газа. Отражательный разряд с полым катодом, имеющий свойства аномального
тлеющего разряда, возбуждается в разрядной камере, образованной катодами 1 и 2 с осевыми отверстиями ∅ 8 мм и цилиндрическим медным анодом 3 с отверстием ∅ 16 и длиной 12 мм. Расстояние между отражательным и полым катодами 10 мм. Анализ влияния радиуса анода и расстояния между катодами показывает, что их увеличение 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, охлаж-
Рис. 1. Схема получения углеродных
слоев: 1, 9 – ионы плазмообразующего газа (Ar), 2, 6 – эмиссионные
каналы, 3, 7 – распыленные атомы
углерода, 4 – быстрые вторичные
электроны, 5 – ионы углерода, 8 –
углеродный слой
Рис. 2. 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,
ИП1 и ИП2 – высоковольтные источники питания
даемому 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 графитовая мишень 6 диаметром 6 мм. Расстояние между плоскостью
дна полого катода и мишенью 4 мм. Катодная полость сообщается с анодной полостью через отверстие 7 ∅ 4 мм. В осевом отверстии катода 2 крепится катодная вставка 8 в форме тора ∅ 8 мм с
проходными отверстиями ∅ 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. 2
ускоряющий электрод не показан). На токопроводящую мишень 6 подается напряжение до 10 кВ
от регулируемого источника питания ИП1.
Газоразрядный источник ионов и получение углеродных слоев осаждением паров
219
Пары углерода, 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 углерода, проходящие через эмиссионный канал, используются для выращивания наноразмерных слоев заданной структуры [9]. Разрядное напряжение подается от стабилизированного источника тока ИП2 на промежуток «электрически соединенные катоды – анод».
Напряжение горения для разрядных токов 0,1–0,5 А составляет 350–380 В. Рабочий газ – аргон. Его давление в катодной полости достигает 5–13 Па. Газ напускают через отверстие на периферии полого катода.
При подаче напряжения от источника ИП2 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 lk перед отверстием 7 становится соизмеримой с поперечными размерами отверстия, в результате ионная оболочка разрывается и плазма
проникает в катодную полость. Условие проникновения плазмы [10]
lk ≤ rn ,
(1)
где rn – 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 ИП1
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. В результате 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 Uk ~ 0,85Up
(где Up – напряжение горения разряда 350–380 В), так как пороговая энергия распыления существенно меньше Uk. 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 Ip (рис. 3, кривые 2, 3 и 4) получены
при относительно малой толщине слоя d пространственного заряда между плазмой и мишенью.
При нулевом напряжении источника питания ИП1 тепловой ионный ток на мишень линейно растет
(кривая 1) благодаря увеличению концентрации ионов в невозмущенной плазме вблизи мишени 6
(рис. 2). Обычно потенциал мишени оказывается ниже потенциала плазмы. В этом случае мишень 6 выполняет функции коллектора
ионов, покидающих плазму. Плотность ионного тока определяется соотношением Бома
1/ 2
⎛ 2kTe ⎞
ji = 0, 4eni ⎜
(2)
⎟ ,
⎝ Mi ⎠
где ni – концентрация плазмы; Te – электронная температура; k – постоянная Больцмана;
Mi – масса иона; e – заряд электрона. ХаракРис. 3. Зависимости тока распыляющих ионов на
мишень (кр. 1–4) от тока разряда (напряжение
разряда Uр = 350 В, ускоряющее напряжение U,
кВ: 0 (кр. 1), 1 (кр. 2), 5 (кр. 3), 10 (кр. 4); рабочий
газ – аргон; графитовая мишень); зависимости
тока ионного пучка (кр. 5), содержащего ионы
(Ar+ + C+) и тока распыляющих ионов на мишень
(кр. 6) от ускоряющего напряжения (ток разряда
Iр = 0,2 А)
А.П. Семенов, И.А. Семенова
220
терной особенностью зависимостей 2, 3 и 4 на рис. 3 является их немонотонность, что может быть
обусловлено немонотонной зависимостью ni(Ip) [12]. Расчет зависимости концентрации эмитирующей плазмы от тока разряда из выражения эмиссионного тока [12]
2
1
3⎞
⎛
I i = ηni ⎜ R − Kni − 2U k 4 ⎟ ,
⎜
⎟
⎝
⎠
(3)
1
1
⎛ ekTe ⎞ 4
⎛ πkTe ⎞ 2
где η = e ⎜
; R – радиус эмиссионного канала; K = ⎜
; εo – диэлектрическая посто⎟
⎜ 1, 21ε 2 ⎟⎟
⎝ 2m ⎠
o ⎠
⎝
янная; ni ~ АIp ; А – коэффициент пропорциональности, показывает, что при Ip > 0,25 A [12] концентрация плазмы в эмиссионном канале слабо зависит от тока разряда. Экспериментально наблюдаемые перегибы на кривых 2, 3 и 4 при Ip ~ 0,2 А качественно согласуются с ходом расчетной
зависимости ni(Ip) [12]. С другой стороны, с определенными допущениями плотность ионного тока
в бесстолкновительном приближении может выражаться «законом степени 3/2»:
1
3
4 ⎛ 2e ⎞ 2 U 2
ji = ε o ⎜
,
(4)
⎟
9 ⎝ Mi ⎠ d 2
где U – ускоряющее напряжение. В этом выражении ji определяется соотношением Бома и не зависит от U. Толщина слоя между плазмой и мишенью определяется из формулы (4), преобразованной к виду
1
d = 1,05εo 2 (ekTe )
−
1
1 3
−
4 n 2U 4
i
.
(5)
Как видно из (5), при заданном ускоряющем напряжении U с ростом ni толщина слоя d уменьшается, благодаря чему растут потери ионов на боковой стенке канала, ограниченной плоскостью
дна полого катода и плоскостью распыляемой мишени. По-видимому, рост концентрации плазмы
с ростом тока разряда компенсируется потерями ионов и рост разрядного тока не приводит к увеличению тока распыляющих ионов.
На рис. 3 кривой 5 представлена зависимость тока ионного пучка от ускоряющего напряжения. Пучок ионов, содержащий ионы пара мишени и газа, извлекается через осевой эмиссионный
канал в катодной вставке 8, при подаче напряжения положительной относительно ускоряющего
электрода полярности до 20 кВ на отражательный катод 2 (на рис. 2 дополнительный высоковольтный источник питания и ускоряющий электрод не показаны). При токе разряда 0,2 А и ускоряющем напряжении 1–20 кВ получен пучок ионов газа и углерода с током 5–20 мА.
Как показали эксперименты, с ростом ускоряющего напряжения при постоянном токе разряда
ток распыляющих ионов быстро возрастает (рис. 3, кривая 6). Хотя извлекаемый из плазмы ионный ток не ограничивается пространственным зарядом, всегда является током насыщения, и не
зависит от ускоряющего (извлекающего) напряжения [13]. Вероятными причинами наблюдаемого
роста ионного тока является увеличение d с ростом U. Положение границы плазмы определяется
из формулы (5) и, как следствие, уменьшением потерь плазменных ионов на стенках цилиндрического канала между плоскостью дна полого катода и поверхностью мишени. Кроме того, возможно усиление ионизационных процессов в слое d в результате ионно-электронной эмиссии и ионного распыления мишени 6. Так как коэффициент ионно-электронной эмиссии пропорционален
энергии ионов и при энергии, 2 кэВ приближается к единице [14], ток вторичных электронов в цепи мишени может оказаться соизмеримым с током ионов.
Оценим вклад в ионизационные процессы ионно-электронной эмиссии. Ток на мишень можно выразить в простейшем случае соотношением
I = I i + γI i + i ,
(6)
где Ii – ионный ток из плазмы; γI i – ток ионно-электронной эмиссии; i – ток от ионов, появившихся в результате ионизационных процессов в слое пространственного заряда между плазмой и мишенью; γ – коэффициент ионно-электронной эмиссии. Образование ионов в слое определяется
числом ионизаций за единицу времени на элементе длины dх:
Газоразрядный источник ионов и получение углеродных слоев осаждением паров
dN i =
N e ωi dx
,
λe
221
(7)
где Ne – число вторичных электронов; ωi – вероятность ионизации; λ e – длина свободного пробега электронов в газе.
γI
λ
С учетом N e = i и λ e = eo соотношение (7) преобразуется к виду
e
p
di =
γI i ωi pdx
,
λ eo
(8)
где λ eo – длина свободного пробега электронов в газе при давлении 133,3 Па; р – давление газа.
Используем выражение Моргулиса для вероятности ионизации
ωi = α (u − U i )e
−
(u −U i )
β
,
(9)
где α и β – константы, зависящие от рода газа; Ui – потенциал ионизации. С учетом замены переменной х на переменную u, интегрируя (8) по u в пределах от Ui до U , получим
⎡ ⎛ U − U + β ⎞ − (U −U i ) ⎤ γI pαd β2
β
i
⎥ i
.
i = ⎢1 − ⎜
⎟e
β
⎢ ⎝
⎥ λ eoU
⎠
⎣
⎦
(10)
При U >> β соотношение (10) преобразуется к виду
i
pα d β 2
~
.
γI i
λ eoU
(11)
i
характеризует вклад в ионизационные процессы ионно-электронной эмиссии.
γI i
Подставляя в (11) табличные значения [15] λ eo = 0,438 мм, α = 1,3⋅10–2 В–1, β = 110 В и экспериментальные значения d = 4 мм, p = 5–13 Па, U = 10 кВ, находим, что ток от ионов, образованных в
слое пространственного заряда за счет λ -процессов, в 102 раз меньше тока ионно-электронной
эмиссии. Наблюдаемый рост ионного тока может быть обусловлен снижением потерь плазменных
ионов на стенках канала при перемещении плазменной поверхности с ростом напряжения отрицательной полярности на мишени и завышением ионного тока ионно-электронной эмиссией.
Отношение
Заключение
При ускоряющем напряжении до 10 кВ
и токе разряда 0,2–0,5 А плотность потока
распыляющих ионов из катодной плазмы
достигает 100 мА/см2. Осаждение части распыленных паров мишени на внутренней
стенке полого катода свидетельствует о важной роли процесса вторичного распыления в
повышении эффективности ионизации паров
углерода.
Низкая 0,05–0,1 степень ионизации способствует выходу через эмиссионный канал
потока пара, достаточного для выращивания
тонких слоев со скоростью ~ 0,03 нм/с на
подложке, установленной на расстоянии
0,1 м от эмиссионного канала. Кроме того, в
стационарном режиме горения разряда обеспечивалась устойчивая высоковольтная до
20 кВ эмиссия ионов. Доля ионов углерода в
Рис. 4. Общий вид источника ионов: 1 – катодная
вставка, 2 – отражательный катод, 3 – полый катод,
4 – охлаждаемый держатель мишени
А.П. Семенов, И.А. Семенова
222
извлекаемом пучке составляет 0,05–0,1 [16]. Эксплуатационный ресурс катодной вставки – 250–
300 ч. Макет действующего плазменного источника паров и ионов углерода и газа представлен на
рис. 4. Одно из важных свойств конструкции рис. 2 и 4 состоит в том, что достаточно переменить
полярность на электродном промежутке «отражательный катод – ускоряющий электрод», чтобы
ионный источник стал электронным [17].
По схеме процесса рис. 1 с помощью устройства рис. 2 получены наноразмерные углеродные
слои толщиной 50–800 нм. Упрочняющие слои наносили на токопроводящие лезвия и острия осаждением потока пара и ионов углерода при прямом воздействии ионов плазмообразующего
инертного газа (высокое напряжение до 10 кВ подается на графитовую мишень, ускоряющее напряжение 0,12 кВ – на токопроводящую подложку (см. рис. 1 и 2).
На рентгенограмме (дифрактометр Rigaku с CuKα-излучением) осажденного углеродного слоя
наблюдается дифракционный максимум (d = 2,0364 Å), соответствующий структуре алмаза (рис. 5).
250
I
о
d=2,0364 A (2θ =44,452)
200
150
100
50
0
40
50
60
2θ
Рис. 5. Рентгенограмма углеродного слоя
В спектре комбинационного рассеяния (использовалась линия 488 нм аргонового лазера, спектрометр T6400TA of Dilor-Jobin Yvon-spex) углеродного слоя присутствуют полосы поглощения
при 1330 и 1600 см–1, характерные для связей в алмазе (рис. 6).
1000
I
Алмаз 1330 см-1
800
600
400
200
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
см - 1
Рис. 6. Спектр комбинационного рассеяния углеродного слоя
Газоразрядный источник ионов и получение углеродных слоев осаждением паров
223
Результаты исследования поверхности углеродных слоев атомно-силовой микроскопией
(Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si3N4 type) свидетельствуют о том, что наблюдается
глобулярная стадия роста с поверхностным размером частиц 50 нм и высотой 5 нм. Средняя высота неровностей поверхности составляет 6,425 нм.
Кроме того, как показали эксперименты, достоинства плазменного источника нашли подтверждение применительно к следующим процессам:
- препарирование (активирование, очистка) поверхности подложки пучком ионов аргона (ускоряющее напряжение до 20 кВ);
- получение наноразмерных слоев из паров токопроводящей мишени, причем в потоке пара
доминируют частицы с энергией ≥ 10 эВ (на мишень подается напряжение отрицательной полярности до 10 кВ);
- получение наноразмерных слоев из потока пара и ионов при воздействии ионов реактивного
газа;
- проведение пересыщения в процессе получения наноразмерных алмазных слоев воздействием ионным или электронным пучком на структуру углеродного конденсата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
С е м е н о в А . П . // ПТЭ. – 1990. – № 4. – С. 26–42.
С е м е н о в А . П . // ПТЭ. – 1993. – № 2. – С. 11–27.
С е м е н о в А . П . // ПТЭ. – 1996. – № 4. – С. 3–14.
С е м е н о в А . П . // ЖТФ. – 2005. – Т. 75. – Вып. 4. – С. 42–47.
Г л а з о в А . А . , К у з м я к М . , Н о в и к о в Д . Л . и д р . // ПТЭ. – 1964. – № 1. – С. 34–36.
С е м е н о в А . П . // ПТЭ. – 1984. – № 5. – С. 23–24.
С е м е н о в А . П . , М о х о с о е в М . В . // ТВТ. – 1984. – Т. 22. – № 1. – С. 164–165.
С е м е н о в А . П . // ЖТФ. – 2007. – Т. 77. – Вып. 2. – С. 131–135.
С е м е н о в А . П . Пучки распыляющих ионов: получение и применение. – Улан-Удэ: Изд-во Бурятского НЦ
СО РАН, 1999. – 207 с.
К р е й н д е л ь Ю . Е . Плазменные источники электронов. – М.: Атомиздат, 1977. – 144 с.
K a n a y a K . , H o j o u K . , K o g a K . , T o k i K . // J. Аppl. Phys. – 1973. – V. 12. – Nо. 9. – P. 1297–1306.
Г р у з д е в В . А . , Р е м п е Н . Г . // Тез. докл. I Всес. совещ. по плазменной эмиссионной электронике. –
Улан-Удэ, 1991. – С. 45.
Г а б о в и ч М . Д . Физика и техника плазменных источников ионов. – М.: Атомиздат, 1972. – 304 с.
S h a m i m M . M . , S c h e u e r J . T . , F e t h e r s t o n R . P . , е t a l . // J. Appl. Phys. – 1991. – V. 70. – No. 9. –
P. 4756–4760.
Л е в и т с к и й С . М . Сборник задач и расчетов по физической электронике. – Киев: Изд-во Киев. ун-та, 1964. –
211 с.
С е м е н о в А . П . , С е м е н о в а И . А . , Т р о я н Г . В . // Плазменная эмиссионная электроника: труды III
Междунар. Крейнделевского семинара. – Улан-Удэ: Изд-во Бурятского НЦ СО РАН, 2009. – С. 100–104.
К о р н и л о в С . Ю . , О с и п о в И . В . , Р е м п е Н . Г . // ПТЭ. – 2009. – № 3. – С. 104–109.
Отдел физических проблем Бурятского НЦ СО РАН, г. Улан-Удэ, Россия
Е-mail: semenov@pres.bscnet.ru
Поступила в редакцию 02.11.10.
___________________
Семенов Александр Петрович, д.т.н., профессор, заместитель председателя Президиума по науке, зав. отделом физических проблем;
Семенова Ирина Александровна, к.т.н., ведущ. науч. сотр. отдела физических проблем.