Назад
Орден*
Ленина
Институт атомной энергии
им.
И. В.
Курчатова
£UI /0
^б'б'З
Н.
В.
Плешивцев
Физические проблемы
катодного распыления
Обзор
I/
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.
© Институт атомной энергии им. И.Э. Курчатова, 187в
Посвящаю моей маме
Евдоквн Сергеевне Плешивцевой
1.
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* ] . Последнее название физического явления, приводящего
3
® ® ® ® (?)
6 7 8 9 10
© 9 В 3
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
J
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
4
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
5
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
2.
Электроннолучевые трубки (катоды и экра
ны):
а) осцвппографические
б) индикаторные
в) кинескопы
г) запоминающие трубки
д) передающие телевизионные трубки
3.
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
4.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
и фотоэлектронные умножители (фотокатоды):
а) вакуумные фотоэлементы
б) газонаполненные фотоэлементы
в) фотоэлектронные умножители
5.
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
5.
Линейные ускорители:
а) ЛУ с бегущей волной
б) ЛУ со стоашей волной
B.
Циклические резонансные ускорители:
а) циклотроны
б) фазотроны
1000
750
2-8 тыс.
0
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 , 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
7.
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
8
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
1
2
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