Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления

Подождите немного. Документ загружается.

Орден*

Ленина

Институт атомной энергии

им.

И. В.

Курчатова

£UI /0

^б'б'З

Н.

В.

Плешивцев

Физические проблемы

катодного распыления

Обзор

Моаскте

ОРДЕНА ЛЕНИНА

ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ им. И. В. КУРЧАТОВА

Н. В. Плешивцев

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Обзор

Москва

1979

УДК 537.533

Ключевые слова; катодное распыление, термоядерный

реактор, первая стенка, закономерности распыления,

пороговая энергия, коэффициент распыления, теория

распыления, значение распыления.

В обзорной лекции, прочитанной в Национальной школе

Болгарии "Вакуумные, электронные я ионные технологии* для

молодых научных работников и специалистов в г. Приморско

16 мая 1976 г., показано значение процесса распыления ве

шеств атомными частицами в науке, технике, технологии

и природе. Названы основные фундаментальные проблемы фи

зики катодного распыления. Рассмотрены проблема первой

стенки термоядерного реакторатокамака и проблема экспери

ментального и теоретического изучения закономерностей изме

нения величины коэффициента распыления от наиболее важных

параметров процесса распыления. Указаны направления и во

просы первоочередных исследований распыления вешеств

нонами.

Посвящаю моей маме

Евдоквн Сергеевне Плешивцевой

ЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

АТОМНЫМИ ЧАСТИЦАМИ В НАУКЕ,

ТЕХНИКЕ, ТЕХНОЛОГИИ И ПРИРОДЕ

В 1977 г. исполнилось 125 пет с того дня, когда английский

физик В, Р. Гроув опубликовал статью "К электрохимической полярно

сти газов" [iJ • В этой статье он описал новое физическое явление,

наблюдавшееся в разряде Франклина, названное им "окислением'. На

поверхности пластин из серебра, платины и других металлов при раз

рядах в различных газах возникали слои в виде концентрических кру

гов желтого, оранжевого или синего цвета {рис. 1). Исследователь

писал: "Когда расстояние между проволочкой и пластиной велико,

а разряд горит достаточно долго, то на стекле колокола вокруг конца пла

тиновой проволочки образуется темное напыление с большой проводи

мостью, возможно, в этом причина образования наблюдавшихся колеи,

когда расстояние между острием и пластиной было малым**. Когда

на пластинку подавался отрицательный потенциал, окисные пятна пол

ностью удалялись, но на пластинке оставалось темное полированное

пятно с "молекулярными разрушениями", которые наблюдались в ахро

матическом микроскопе с 200кратным увеличением.

Вильям Крукс, исследовав это явление спустя .39 лет, назвал его

"электрическим испарением", поскольку металлы "испарялись" при

температуре трубки, равной комнатной температуре [2J .•

В.Стюарт назвал это явление "распылением" [3] , Дж. Штарк

"распылением атомным лучом*, а В, Кольшугтер 'катодным распы

лением* [Ч] . Последнее название физического явления, приводящего

® ® ® ® (?)

6 7 8 9 10

Рис.

1. a  схема опытов В.Р.Гроувв £lj , в которых впер

вые в 1852 г, было описано явление катодного распыления:

1  колокол; 2  проволочный электрод; 3  пластинчатый

электрод; 4  катушка Румкорфа; б  "зоны окисления* се

ребра (15

при различных расстояниях между электродами

(

1/505/50

дюйма), платины (69) и меди (10)

к разрушению поверхностного слоя катода и уменьшению массы катода

или образца под действием ионной бомбардировки, сохраняется до на

стоящего времени [57 J . Однако в последние годы начали употреб

ляться такие понятия, как ионное, нонноплазменное и плазменное

химическое распыление, ионное травление, ионное фрезерование, ппаэ

мохимическое травление, ионнохимическое травление, высокочастот

ное распыление, распыление нейтронами, распыление осколками ядер,

распыление атомами, бпистарннг [J311J. Приведенный перечень поня

тий, характеризующих различные стороны данного физического процес

са, дает некоторое представление о сложности рассматриваемого явле

ния.

Под действием бомбардировки быстрыми положительными и отрица

тельными ионами, атомами, ядрами атомов, нейтронами, кластерами

и электронами твердые и жидкие вещества распыляются ь вакууме

в виде атомов, положительных и отрицательных ионов и кластеров

(многоатомных или молекулярных комплексов). Бомбардировка твердых

веществ атомными частицами приводит к выбиванию атомов и молекул

газов,

растворенных в твердых телах, а также к эмиссии атомов, внед

рившихся в процессе облучения. Этот процесс называется физическим

распылением.

При облучении твердых тел химически активными ионами, радикала

ми и атомами, например, водорода или молекулами галогенов масса

мишеней уменьшается вследствие образования летучих химических со

единений. Этот процесс называется химическим распылением. В неко

торых случаях одновременно протекают процессы физического и хими

ческого распыления и блистеринга.

Уменьшение массы распыляемого вешества является наиболее важ

ной особенностью явления. Оно выражается коэффициентом распыления 

отношением числа выбитых атомов к числу частиц, упавших иа мишень.

К числу основных параметров, оказывающих существенное влияние на

величину коэффициента распыления, откосятся природа, энергия и угол

падения атомных частиц на поверхность мишени, атомный номер облуча

емого вешества, теплота испарения, кристаллографическое строение,

число атомов, приходящихся на единицу площади облучаемой поверхно

сти,

чистота и шероховатость поверхности, температура образца при

облучении.

Первая фундаментальная проблема физики распыления втомкымн ча

стицами, на наш взгляд, состоит в экспериментальном исследовании

закономерностей изменения коэффициента распыления от основных пара

метров, характеризующих процесс распыления, в широком диапазоне их

изменения при высокой точности игмереннй (10,1%).

Вторая проблема физики распыления заключается в нахождении

закономерностей вылета частиц из твердого тепа в различном зарядо

ЕОМ

состоянии, с различными скоростями и углами вылета.

Третья проблема физики распыления связана с выяснением законо

мерностей и мехакиачов эрозии и блистеринга приповерхностных слоев

вешества, возникающих при облучении ионами.

Последняя по счету, но первая по значимости и сложности пробле

ма физики распыления состоит в изучении синергнческих эффектов, свя

занных с взаимодействием атомных частиц и излучений, испускаемых

высокотемпературной плазмой, с первой стенкой термоядерного или

гибридного реактора.

Научная и практическая значимость исследований физики распыле

ния твердых веществ атомными частицами имеет несколько аспектов.

Вопервых, распыление вызывает целый ряд дорогостояишх пос

ледствий. Оно ограничивает срок службы многих сотен миллионов элех

тронных ламп, телевизионных и других электроннолучевых трубок

(габл. 1).

Таблица 1

Приборы, установки и устройства,

в которых распыление сокращает срок работы

и ухудшает их рабочие характеристики

Название приборов, установок

и распыляемых узлов

Срок

службы, ч

Лите

ратура

Приемноусилительные лампы (катоды): 110 тыс. fl2]

а) электронные лампы: электровакуумные

диоды, триоды, тетроды, пентоды, гексоды, геп

тоды, пентагриды, октоды;

б) элехтроккосветовые индикаторы;

в) электрометрические лампы;

Продолжение табп. 1

г) механотроны

д) специальные лампы: для преобразования

частоты, стержневые лампы, нувисторы (сеерх

миниатюрные метаплокерамическке лампы),

лампы с катодной сеткой,, пампы с вторичной

электронной эмиссией, электронные индикаторы

настройки •

Электроннолучевые трубки (катоды и экра

ны):

а) осцвппографические

б) индикаторные

в) кинескопы

г) запоминающие трубки

д) передающие телевизионные трубки

Ионные приборы:

а) неоновые лампы

б) стабилитроны.

в) тиратроны тлеющего разряда

г) декатроны

д) цифровые индикаторные лампы

е) ионные разрядники

ж) газотроны

з) тиратроны с накаленным катодом

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

и фотоэлектронные умножители (фотокатоды):

а) вакуумные фотоэлементы

б) газонаполненные фотоэлементы

в) фотоэлектронные умножители

Ускорители заряженных частиц (катоды ион

ных источников):

A, Ускорители прямого действия:

а) электростатические ускорители Ванде

Граафа

б) с каскадным генератором Кокрофта 

Уолтона

в) импульсный трансформатор

Линейные ускорители:

а) ЛУ с бегущей волной

б) ЛУ со стоашей волной

Циклические резонансные ускорители:

а) циклотроны

б) фазотроны

1000

750

2-8 тыс.

5О0

300-800

fia]

2001000 [12]

5001000

250800 [12]

34 тыс. [12]

1501000 [l3]

Ггз]

Окончание табл. 1

1 2 3

в) синхротроны

г} синхрофазотроны

Г. Плазменные ускорители

6. Массспектрометры (катоды ионных источ 100200 [Н, 15]

ников):

а) масс—спектрографы без фокусировки

б) .массспектрометры с фокусировкой

по скоростям

я) массспектрометры с фокусировкой ионов

по углу

г) массспектрометры с двойной фокусиров

кой .

д) масспропетные спектрометры

е) квадрупольные массанализаторы

ж) радиочастотные масс—спектрометры

Электромагнитные сепараторы изотопов 50100 [13]

•В.

Ионные микроскопы:

а) протонные

б) ионный массспектральный

в) автононные микроскопы

9. Течеискатели масс—спектрометрические [15]

(катоды ионных источников):

а) гелиевые течеискатели

б) автоматы массспектрометрического

контроля герметичности

10.

Промышленные установки для электронно— 16100 [16]

лучевой сварки (катоды электронных

пушек)

11.

Промышленные установки для вакуумного

электроннолучевого переплава металлов

(катоды электронных пушек)

12.

Элементы искусственных спутников Земли:

орбитальных научных станций, межпланет

ных космических аппаратов (солнечные

элементы, антенны, телескопы)

13.

Экспериментальные термоядерные уставов [17}

кн типа 'токамак* и открытые магнитные

ловушки:

а) первая стенка —20000

б) электроды ионвтхштических систем

ионных источников «^ 200

Распыление ограничивает срок службы i тамиллионов ионных при

борок газотронов, тиратронов, цифровых •• световых индикаторов. Рас

пыление катодов мощных электронных пушек а ионных источников, ис

пользуемых в ускорителях, установках для электроннолучевой сварки

и размерной обработки, мощных установках для электроннолучевого

переплава металлов, ионных источниках электромагнитных сепараторов

изотопов, приводит к частым остановкам (через 10100 ч работы)

и простоям сложных а дорогих установок.

Принципиально важным препятствием на пути осуществления уп

равляемой термоядерной реакции в промышленных масштабах является

загрязнение высокотемпературной. дейтерневотригиевои плазмы, воз

никавшее, вследствие распыления первой стенки.

УЧИТЫВАЯ

важность

энергетической проблемы, рассмотрение физических проблем распыле

ния будем вести прежде всего применительно к термоядерным иссле

дованиям.

Вторым важным аспектом изучения распыления являются многочис

ленные полезные применения его в научных исследованиях, техничес

ких и технологических целях. Уникальная способность быстрых атом

ных частиц распылять вещества, обладающие любой твердостью, проч

ностью, температурой плавления, привела к широкому применению ка

тодного распыления.в различных областях науки, техника и техноло

гии {табл. 2).

Таблица 2

Технологические возможности и области применения

Технологические возможности распыления

Области применения

X. Очистка поверхностей от загрязнений. Исследовании в фн

Создание атомночистых поверхностей зйке твердого тела,

химии, электроннхе,

микроэлектронике.

Оптическая, электро

вакуумная, электрон

ная,

металлургическая

промышленность