ПРОЦЕСС ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ИОНОГО ПУЧКА И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКИ

 

В настоящей главе осуществлено построение математической модели распыления вещества в плазме, управления ионным лучом и ионного осаждения. Произведен расчет функциональных узлов опытного образца экспериментальной установки ионно-лучевого осаждения /2/. Рассмотрены конструктивные особенности источника ионов, системы управления ионным лучом. Расчеты проводились для Al, Si, Ti, Pd, Ag применительно для получения тонкопленочных солнечных элементов /3/. Получены концентрационные зависимости скорости осаждения от ионного тока и радиуса ионного пучка.

Методика распыления вещества в плазме.

Для образования ионов, используемых при бомбардировке поверхности распыляемой мишени, между анодом и катодом в вакуумной камере создается тлеющий разряд. Он характеризуется наличием двух основных областей: небольшой по протяженности прикатодной, в которой сосредоточено основное падение потенциала, называемое прикатодным падением потенциала и области столба разряда, представляющей собой сильно ионизированный газ - плазму с высокой проводимостью. При сближении электродов анода и катода в первую очередь уменьшается протяженность положительного столба разряда. Электроны могут выходить из катода под действием фотоэмиссии. Для увеличения плотности эмиссии электронов применяют термоэмиссионные катоды. В сильном электрическом поле катодного падения потенциала электроны набирают энергию, определяемую напряженностью электрического поля и их подвижностью в данной области. Ионизация ведет к образованию положительных ионов газа. Ионы устремляются к мишени, на которую подан отрицательный потенциал относительно плазмы разряда, и распыляют ее /1/.

Явление физического распыления обусловлено передачей ускоренным ионом атому мишени энергии, превышающей пороговую энергию смещения, последующим перемещением атома в направлении к поверхности мишени и вылетом из нее. Основным механизмом катодного распыления является процесс передачи импульса либо путем непосредственного столкновения ускоренного иона с атомом мишени, либо путем ряда вторичных столкновений первично смещенных атомов. Очевидно, что при нормальном падении ионного пучка на мишень распыление может происходить только при последовательных вторичных столкновениях.

 Физическое распыление вещества количественно характеризуется коэффициентом распыления К (ат/ион) - числом атомов, выбиваемых из мишени одним падающим на нее ионом /7/. Коэффициент распыления является величиной статической и определяется интегральным соотношением:

 

                               К=N_p/N,                                                  (2.1)

 

N_p - число атомов мишени, распыленных с единицы поверхности при облучении ее потоком ионов с дозой N.

Коэффициент распыления определяется характером атомных столкновений и структурой мишени. Для изотропных мишеней имеет вид:

 

                           ,                         (2.2)

 

Es - энергия сублимации;

s_а - сечение экранирования.

Коэффициент К₀ зависит от заряда ядра бомбардирующего иона Z₁ и атома мишени Z₂ и периодически изменяется с изменением Z₂.

При 3 £ Z₂ £ 16                                                                                   

 

(2.3)

При Z₂ ³ 19                                                                                             

(2.4)

Максимальное значение коэффициента распыления:

                                                                  (2.5)

Распыление изотропных веществ подчиняется закону косинуса:  

 

  K(α)=K(0)/cosα,                                                             (2.6)

 

К (0)—коэффициент распыления при нормальном падении иона на поверхность мишени,

при α=0 (α—угол падения ионов относительно нормали к поверхности).

 

где Е_R= 13,6 эВ — энергия Ридберга.

 

Из рисунка 2.1 видно, что эффективная энергия распыления лежит выше 2000 B, где коэффициент распыления К сильно зависит от массы ионов. На рисунке 2.2 показано схематическое изображение математической модели распыления материалов /11/.

 

Источник ионов

 В нашем случае предполагается использовать осаждаемый материал в твёрдой фазе, предварительно измельчённый в порошок, который помещается в тигель ионизатора. В ионизатор напускается аргон и включается высокое напряжение.

       Рассчитаем коэффициент распыления элементов ионами аргона при подаче на электроды напряжения 3 кВ /12/. Рассчитаем радиус экранирования:

a=4,7*10^-9/(Z^2/3₁ + Z^2/3₂ )^1/2                                      (2.7)

           Рассчитаем сечение экранирования:

σ_а=πа²                                                    (2.8)

         Найдём нормирующий коэффициент энергии:

                                               (2.9)

Пользуясь соотношением (2.4) определим значение коэффициента К_0. Пользуясь соотношением (2.5) Найдем максимальный коэффициент распыления, где N₂=5,91*10²² см^-3 - число атомов мишени, распыленных с единицы поверхности при облучении ее потоком ионов с максимальной дозой. 

           Определим энергию, соответствующую K_mах:

 

                                           E_M=0,3/F                                                                 

 

           Находим значение К. при E=3•10³ эВ:

 

                                                              (2.10)

Рассчитаем число атомов аргона в рабочем объеме ионизатора при различном давлении газа.

                                                                                          (2.11)

Т=300 К,  R=8.31 ,  V=1 см³

 

 

 

 

Рис. 2.1 Зависимость коэффициента распыления K от энергии ионов

 

 

а)

 

б) 

Рис. 2.2 Схематическое изображение катодного распыления        материала

а) Распыляемый материал до начала процесса

б) Траектории движений ионов при катодном распылении

  

Сведём эти расчёты в таблицу 2.1             

Таблица 2.1

Число атомов при различных давлениях

P     Па	N     Атом/см3
1000	2,1448*1018
100	2,1448*1017
10	2,1448*1016
1	2,1448*1015
0,1	2,1448*1014
0,01	2,1448*1013

 

При давлении не ниже 100Па число ионизированных атомов составляет 25% от их числа, а при 10Па число ионизированных атомов составляет 80% (экспериментальная зависимость) и растёт с уменьшением давления. Отсюда видно что, используя аргон и подавая на ионизатор напряжение 3 кВ при данных давлениях можно получить концентрацию ионов распыляемого вещества порядка 10¹³-10¹⁸ /14/.

Концентратор плазмы представляет собой купол из металла, который не дает плазме растечься в больших количествах по объему рабочей камере. На рис. 2.3 представлено принципиальное схематическое изображение источника ионов. На рис. 2.4 представлены фотографии ионного источника. 

 

           

 

 

1-откачка газа из накопителя плазмы. 2-электрод. 3-распыляемое вещество. 4-ускоритель первой ступени .5-первичная область фокусировки и сканирования луча. 6-корпус ионного источника. 7-откачка газа из ионного источника. 8-тигель. 9- подача инертного газа ионизатор.  10-накопитель плазмы.

 

Рисунок 2.3 Принципиальная схема ионного источника.

 

 

   

а)                                                                                        б)

 

 

в)

Рисунок 2.4 Ионный источник опытного образца установки ионно-лучевого осаждения.

а) Корпус ионного источника  

б) Ионный источник вид сбоку

в) Ионный источник вид снизу

 

 

---

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 226; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!