Wpływ naładowanych cząstek na światło o długości fali 172 nm
Skutki naładowanych cząstek
W wyładowaniu gazowym naładowane cząstki obejmują jony i elektrony, które pod wpływem pola elektrycznego poruszają się w kierunku przeciwnych elektrod. Poniżej omówiono niektóre ważne efekty powstające, gdy jony docierają do katody, a elektrony docierają do anody^{2,3,7,10,12,14}.
3.7.1 Wpływ jonów
Kiedy jony bombardują powierzchnię katody, zachodzi szereg zjawisk fizycznych i chemicznych. Rysunek 3.28 pokazuje różne efekty powstające w wyniku bombardowania jonami powierzchni katody^{10}. (Adnotacje na Rysunku 3-28: Jony padające, Substancje neutralne, Odbicie jonów, Zmiany morfologii powierzchni, Ogrzewanie, Uszkodzenia strukturalne, Zmiany krystalizacyjne, Implantacja lub dyfuzja, Elektrony wtórne, Elektrony Augera, Jarzenie katody, Promieniowanie optyczne, Desorpcja zaadsorbowanych gazów, Desorpcja rozpylonych gazów, Powrót rozpylonych atomów)
Wtórna emisja elektronów wzbudzona jonami dodatnimiProces wtórnej emisji elektronów wywołany bombardowaniem katody jonami jest warunkiem koniecznym do utrzymania-samopodtrzymującego się wyładowania. Stosunek liczby elektronów wtórnych NeN_eNe do liczby padających jonów NiN_iNi, czyli stosunek prądu wtórnego iei_eie do prądu jonów katodowych iii_iii, nazywany jest współczynnikiem emisji elektronów wtórnych i zależy od materiału katody, masy jonów dodatnich, ich potencjału jonizacyjnego i energii kinetycznej. Elektrony wtórne mogą być emitowane tylko wtedy, gdy energia padających jonów przekracza funkcję pracy χ\\chiχ katody, umożliwiając podtrzymanie wyładowania jarzeniowego.
Bombardowanie jonowe podgrzewa katodę When ions bombard the cathode, the majority of their energy (>60%) zamienia się w energię cieplną, powodując wzrost temperatury katody. W procesach takich jak azotowanie jonowe, nawęglanie jonowe i chemiczne osadzanie z fazy gazowej-wzmocnione plazmą (PECVD) obrabiany przedmiot może osiągnąć wymaganą temperaturę wyłącznie poprzez ogrzewanie bombardowaniem jonowym, bez zewnętrznego źródła ciepła. Podczas powlekania jonowego bombardowanie jonami podnosi temperaturę przedmiotu obrabianego, sprzyjając dyfuzji atomów folii i poprawiając mikrostrukturę powłoki. Na etapie obróbki wstępnej przed powlekaniem do czyszczenia powierzchni czasami stosuje się lampę UV o długości fali 172 nm; jego silne promieniowanie ultrafioletowe rozkłada zanieczyszczenia powierzchniowe, wzmacniając późniejszy efekt bombardowania jonowego. W przypadku napylania katoda docelowa wymaga skutecznego chłodzenia; w przeciwnym razie materiał docelowy może się rozłożyć lub nawet stopić.
Rozpylanie katodowe spowodowane jonami gazuRozpylanie katodowe odnosi się do procesu, w którym jony o wysokiej-energii bombardują katodę, wymieniając pęd i energię z atomami docelowymi, powodując ucieczkę neutralnych atomów lub cząsteczek na powierzchni katody.
(1) Wydajność rozpylaniaWydajność rozpylania to liczba atomów rozpylonych na padający jon, oznaczona jako SSS. Wydajność rozpylania zależy od rodzaju bombardującej cząstki. Wraz ze wzrostem energii wzrasta wydajność rozpylania SSS dla różnych gazów bombardujących cel miedziany, jak pokazano na rysunku 3-29^{10}. Z rysunku 3.29 widać, że im wyższa liczba atomowa padających jonów i im wyższa energia, tym większa jest wydajność rozpylania. Jako gaz roboczy zwykle stosuje się argon, choć do czyszczenia bombardowanego przedmiotu obrabianego można również stosować azot. W niektórych scenariuszach powierzchnia przedmiotu obrabianego jest poddawana wstępnej obróbce lampą UV o długości fali 172 nm, aby zmniejszyć zakłócenia powodowane przez zanieczyszczenia podczas bombardowania gazem i poprawić jednorodność napylania.
Zależność między wydajnością rozpylania a ciśnieniem pokazano na rysunku 3-30^{10}. Jak wynika z rysunku 3-30, gdy ciśnienie gazu ppp jest niskie, SSS nie zmienia się wraz z ppp; po wzroście ppp do określonej wartości SSS stopniowo maleje. Dzieje się tak, ponieważ przy wyższym ppp wzrasta liczba cząsteczek gazu, co prowadzi do większej liczby zderzeń i rozpraszania, zmniejszając liczbę jonów argonu docierających do katody.
Zależność między wydajnością rozpylania a energią padających jonów pokazano na rysunku 3-31^{10}. Krzywą można podzielić na trzy obszary^{10}: Region I: Obszar o niskiej energii, w którym energia jonów jest niska i prawie nie występuje rozpylanie; rozpylanie rozpoczyna się dopiero, gdy energia jonów osiągnie „energię progową” (zwykle 10–30 eV dla metali).
(2) Szybkość rozpylaniaIlość materiału katody napylanego w jednostce czasu nazywana jest szybkością rozpylania, oznaczaną przez RRR. RRR jest proporcjonalny do iloczynu gęstości jonów padających JiJ_iJi i wydajności rozpylania:
Wyższa gęstość jonów padających lub wyższa wydajność rozpylania skutkuje większą szybkością rozpylania. W niektórych-procesach powlekania o wysokiej precyzji efekt aktywacji powierzchni lampy UV o długości fali 172 nm łączy się w celu zwiększenia wydajności ucieczki atomów docelowych, pośrednio poprawiając stabilność szybkości rozpylania.
(3) Rozkład energii i prędkości napylanych atomówOdparowane atomy mają zazwyczaj energie 0,1–0,2 eV, podczas gdy atomy napylone, w wyniku wymiany energii z padającymi jonami o wysokiej-energii, mają energie kinetyczne o 1–2 rzędy wielkości wyższe (zwykle 5–10 eV). Na przykład przy rozpylaniu jonów azotu przy 1200 eV energia atomu wynosi około 10 eV; w przypadku rozpylania aluminium/wolframu/platyny energia atomu wynosi około 35 eV. Krzywe rozkładu energii kinetycznej atomów bombardowanych jonami argonu przy różnych napięciach rozpylania (Rysunek 3-32^{10}) mają rozkład Maxwella, przy czym większość atomów ma energie w zakresie 5–10 eV.
(4) Implantacja jonowaJak pokazano na rysunku 3-31, gdy padająca energia jonów > 30 000 eV, pojawiają się efekty implantacji (spadek wydajności rozpylania), a cząstki bombardujące wnikają głębiej w cel, zwiększając defekty kryształów w warstwie powierzchniowej katody. Głębokość implantacji wynosi 5–10 nm/keV. Implantacja jonowa jest ważną metodą modyfikacji powierzchni materiałów. Czasami łączy się to z efektem modyfikacji powierzchni lampy UV 172 nm, gdzie promieniowanie ultrafioletowe wprowadza płytkie grupy funkcyjne, umożliwiając bardziej precyzyjną kontrolę właściwości powierzchni w połączeniu z implantacją jonów.
(5) Wzbudzanie charakterystycznych cząstek za pomocą-wiązek jonów o wysokiej energiiInstrumenty do analizy-filmowych mikroobszarów (np. spektrometria mas z sondą jonową, spektrometria rozpraszania wstecznego Rutherforda) działają w oparciu o charakterystyczne linie widmowe wzbudzane przez jony.
3.7.2 Wpływ elektronów
Wtórna emisja elektronów w wyniku bombardowania elektronamiW próżni, gdy elektrony bombardują powierzchnię metalu wystarczającą energią elektronów pierwotnych, emitowana jest duża liczba elektronów wtórnych.
Bombardowanie elektronami podgrzewające anodęElektrony bombardujące anodę przekształcają energię kinetyczną w energię cieplną, która może nawet stopić i odparować materiał anody.
Wzbudzanie charakterystycznych cząstek przez elektrony-o wysokiej energiiPrzyrządy do badania folii (np. transmisyjna mikroskopia elektronowa, spektroskopia elektronów Augera) wykorzystują elektrony Augera, promienie X- i inne charakterystyczne cząstki wzbudzane wiązkami elektronów.
3.8 Ruch naładowanych cząstek
Technologia powlekania jonowego jest wykonywana w plazmie wyładowczej-o niskim ciśnieniu, gdzie przestrzeń powłoki zawiera dużą liczbę jonów i elektronów. W ostatnich latach badacze-cienkich warstw wykorzystali pola elektromagnetyczne do kontrolowania ruchu naładowanych cząstek i zwiększania gęstości plazmy. W niektórych procesach w komorze powlekania wykorzystuje się również lampę UV o długości fali 172 nm, która pomaga w regulacji aktywności plazmy i optymalizacji trajektorii cząstek.
3.8.3 Ruch naładowanych cząstek w polach elektromagnetycznych
Ruch w skrzyżowanych polach elektromagnetycznychNaładowane cząstki podlegają połączonemu działaniu siły pola elektrycznego i siły Lorentza^{9,10,23}. Siła działająca na elektrony wynosi:
Ruch w promieniowych polach elektromagnetycznychNa cząstki naładowane działają siły promieniowe (promieniowa siła pola elektrycznego, siła Lorentza, siła odśrodkowa) i poprzeczna siła Lorentza. Trajektorie pokazano na rysunku 3-39^{10}: Elektrony mają małe promienie obrotu i wysokie częstotliwości, dryfując w kierunku anody; jony mają duże promienie obrotu i niskie częstotliwości, dryfując w kierunku katody, osiągając separację plazmy.
3.9 Zastosowanie pól elektromagnetycznych
W ostatnich latach, aby przygotować-wysokowydajne cienkie folie, maszyny do powlekania zostały wyposażone w różne pola elektromagnetyczne. Odpowiednie zaprojektowanie pól elektromagnetycznych i wykorzystanie energii plazmy może służyć całemu procesowi powlekania. Jednoczesne zastosowanie sprzętu pomocniczego, takiego jak lampy UV 172 nm, może jeszcze bardziej poprawić czystość folii i spójność wydajności.
(Kolejna treść: Nowoczesna technologia powlekania jonowego)
