Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления

Подождите немного. Документ загружается.

гает .3500 К. Повидимому, температура мишени не должна сильно

влиять на 'термическую* долю общего коэффициента распыления. При

распылении золота нонами ксенона с энергией 43 кэВ эти величины

были равны 6 и 40 атом/ион соответственно, т.е. 'термическая' доля

коэффициента распыления составляла всего лишь 15%.

Однако в работе Г.М.Виндавн [68] на основании собственных экс

периментов н развитой теории распыления Е.Лэнгберга утверждается,

что величина коэффициента распыления полнкристаллнческой меди и пло

скостей (111) и (100) монокристаллической меди при облучении

ионами аргона с энергией 300 эВ уменьшается на 3050% при увели

чении температуры от 500 до 800 К. Это уменьшение объясняется

увеличением миграции атомов по поверхности и увеличением числа ато

мов,

имеющих большее число связей с поверхностью.

По оценкам Ю.В.Мартыненко,при температурах мишени, превышаю

щих некоторую критическую величину, должен наблюдаться экспоненци

альный рост коэффициента распыления. Эту критическую температуру

можно определить, разделив энергию сублимации вещества, выраженную

в эВ, на 3545. Она примерно равна 0,7 температуры плавления ве

щества. Следует иметь в виду, что нагрев мишеней влияет на сорбцию

и десорбцию молекул остаточных газов, приводит к усилению диффузии

примесей из глубины металла на его поверхность. Кроме того, нагрев

мишеней оказывает существенное влияние на распыление (эрозию) по

верхности вследствие образования и разрушения вспучиваний (бписте

ринга). Все эти явления необходимо учитывать при объяснении зависи

мости величины коэффициента распыления от температуры образце.

3.7. Зависимость коэффициента распыления

от шероховатости и пористости поверхности

Д.Розекбсрг и Г.К.Венер [69] распыляли в плазме гладкий ни

келевый стержень н стержень с резьбовой нарезкой с шагом 0,45 мм

и углом конусной резьбы 68 . При энергиях ионов аргона 100 эВ

коэффициент распыления стержня с резьбовой нарезкой уменьшался

в 2,5 раза. Однако при энергиях ионов выше 300 эВ уменьшение

не превышало 20%. Уменьшение величины коэффициента распыления

объясняется изменением углового распределения выбиваемых атомов

и увеличением их обратного захвата соседними стенками шероховатой

поверхности.

Т.П.Мартыненхо [ "70] исследовала распыление образцов вольфра

ма и молибдена, имевших различную пористость, ионами кадмия с энер

гией 200 эВ и 500 эВ, Уменьшение коэффициента распыления в 2 ра

за наблюдалось при увеличении пористости от 16 до 40% (определяе

мой по изменению удельного веса). Дальнейшее увеличение пористости

не приводило к уменьшению величины коэффициента распыления. Коли

чество атомов, осевших, на зернах металлов, определялось в этом слу

чае только геометрией зерен и пор и не зависело от энергии ионов

н материала мишени. Мишень, изготовленная нэ тонких цилиндрических

проволочек, с торца будет распыляться меньше, чем составленная

из шаровых зерен.

Возможность уменьшения коэффициента распыления в 23 раза

за счет изменения шероховатости и создания пористой или сотовой

поверхности требует к себе большего внимания. Необходимо продолжить

эти пионерские работы и дать им теоретическое обоснование.

3.8.

Зависимость коэффициента распыления

двухфазных и многофазных веществ

(карбидов, окислов и т.п.)

Теория распыления многофазных веществ еще не создана. В на

стоящее время идет накопление экспериментальных данных по распы

лению карбидов,

ОКИСЛОБ,

боридов и других сложных веществ. При рас

пылении плавленого кварца Р.П.Эдван [71] показал, что в области

энергий 1232 кэВ при распылении ионами аргона величина коэффи

циента распыления сохраняется примерно постоянной и равной

1,6 атом/ион. В то же время величина коэффициента расшыления уве

личивается в

810,7

раза при увеличении угла падения ионов от О

до 65 . Эта зависимость более сильная, чем закон секанса угла па

дения.

Т.П.Мартыненко £72] исследовала распыление ряда карбидов ме

таллов ионами кадмия с энергией 100500 эВ. Величины коэффициен

та распыления для карбидов титана, ванадия, циркония, ниобия и тан

тала приблизительно такие же, как и у соответствующих чистых метал

лов.

Эти эксперименты указывают на то, что фокусоны не играют су

щественной роли в механизме распыления в этой области энергий. Ре

зультаты экспериментов лучше объясняются каскадной теорией столкно

вения смешенных атомов Х.Лэмана и П.Зигмунда. В то же время в экс

периментах СД.Далгрнна и Е.Д,МакКпанана f 73] по распылению

двухфазныл мишеней серебро  никель и серебро  кобальт наблюда

лось существенное уменьшение (в

1,92,1

раза) величины коэффици

ента распыления при добавлении 10 ат.% никеля и кобальта к серебру.

Распыление производилось ионами криптона с энергией 1

5 кэВ.

П.К.Хафф и З.Е.Свнтковский [74] предложили простую модель рас

пыления двойных соединений. Получено хорошее согласие с экспери

ментальными данными для ряда сплавов: Си. Ли. , PtSL ,J\fiul

О.К.Ионтс £757 наблюдал уменьшение коэффициента распыления ниобия

примерно в 3 раза при добавке к нему 1% циркония. Современные тео

рии распыления не могут объяснить этот эффект.

Р.Келпи и Н.Лэм Г75а] провели анализ накопленных эксперимен

тальных данных по распылению окислов. Выявлены три категории 'для

12 окислов. Имеется восемь окислов: Л^О , MnD,лЬа0

, SlO„ ,

То.

О , TiOn' ^"О.

&*0

коэффициент распыления которых соот

ветствует столкновительной теории распыления П.Зигмунда. Поверх

ностную энергию связи атомов можно идентифицировать с теплотой

атомизации. Четыре окисла: , показывают

высокую температурную зависимость коэффициента распыления (за иск

лючением SflO^ ). Поверхностная энергия связи в этом случае ока

зывается значительно меньшей, чем теплота атомизации. Например,

для УяО

они соответственно равны 1,3 и 5,7 эВ/атом. Это являет

ся свидетельством термического механизма распыления. Пять окислов:

аморфизуются вследствие пре

имущественного распыления кислорода ('окислительное" распыление),

превращаясь

MoOp

^oU

}

li^U^

}

V^O^ и "i%^9 • ^

послед

нем случае коэффициент распыления определяется суммой трех состав

ляющих:

о = 3

**•

(3 }

^ст окиси

терм'г

где



столкновитепьный коэффициент расширения;

ст

терм

окисл

термический коэф

окиспительный коэффициент распыления;

фнщшнт распыления.

Однако

большинстве случаев химический состав окислов сохра

няется

или же они

становятся кристаллитами. Известны восемнадцать

таких примеров: BeO ,CaO,Cu

,Fe

, /$q

,MaQ>

McO

MW,

жо,Sn0

ThO

,no

,щУо. v

. w

vZzQ

Сравнение коэффициентов распыления

металле!

их

окислов

дано

табп.

17,

Таблица

Сравнение коэффициентов распыления металлов

и их

окислов

при распылении ионами {fCz*

энергией

10 кзВ

C^SaJ

Окислы

S окисла

S металла ^°*исла

омет алла

ОКИСЛИ

Хметашга

J металла

МоО

Ж0

1,6;

1,4+0,2

1,8+0.5

9,6+0,4

3,2+0,6

8,1

2,8+1,0

0,5

0,2

3,4

0,2

0,1

0,9

StO

3,4+0,5

1,6;

2,0

г,э

0,5

StO

4,2;

3,0+1,5

2,1

1,7

0,6

SflO;,

15,3+1,8

6,4+0,6

а,з

0,8

ъ>А

2,5+0,5

1,6+0,3

1,6

0,4

П0

ио

1,9;

1,4

3,8+0,5

2,1+0,8

2,4

0,8

1,6

0,3

0,5

12,7+1,7 2,3+0,4

5,5

1.6

9,2+1,2 2,6+1,0

а,е

0,9

2,8+0,1 2,3

1,2

0,4

Влияние температурь; ни коэффициент распыления некоторых окис

лов показано в табл. 18,

Таблица 18

Коэффициенты распыления некоторых окислов при распылении

иономи /££** с энергией 10 кэВ [75а]

•

при 20 С

прн 2 ОС С

1,25**

3,4+0,5

9.2i.a

Мо0

Э.6+0,4

12,7+1,7

1,1

0,86

.1,9+0,4

1,15

13.2+1,0

1,43

15,1+1,0

1,58

17,2+1,1

1,.15

* Ct+ , ю кэВ.

Температура жидкого азота.

Таким образом, в этом направлении исследований имеется еше

много нерешенных вопросов.

3.9. Химическое распыление

Явление "электрохимического* или химического катодного рас

пыления Рыло открыто А. Гюнтершульце [76] в 1926 г., хотя и но

него В. Р. Гроув и другие исследователи высказывали предположения

об "электрохимических' процессах, протекающих на электродах в га

зовом разряде. Но А. Гюнтершульце, распыляя в водороде 23 металла

при давлении 1 мм рт.ст. и катодном падении напряжения 770 В,

установил, что при небольших катодных падениях потенциала металлы

и углерод распыляются главным образок, за счет образования гидрн

Хнмические распыление на протяжении 50 лет исследовалось мало.

Интерес к ньму возник ь последние годы в связи с рассмотрением

графита как одного на возможных материалов для первой стенки тер

моядерного реактора. Распыление графита различных марок (пироли

тического, стеклографита, графитовой ткани) ионами водорода изуча

лось в нескольких работах [77, 78J . При этом было установлено,

что при температурах 20100(Я00) С происходит физическое рас

пыление, коэффициент которого равен {0,25j1J.10 атом/нон. В ин

тервале температур 100 (300)  1100 (800) С коэффициент распыле

ния зависит от температуры: вначале возрастает в 10—17 раз, а за

тек; уменьшеется. При температурах 11001400 С величина коэффи

циента распыления сохраняется постоянной. Интервалы температур,

ь которых происходят указанные изменения, по измерениям различ

ных авторов колеблются в довольно широких пределах (рис. 24,А).

Однако во всех работах обнаружено образование метина.

В работе Н.П.Бушарова и др. [77J предложен механизм преиму

щественного образования метана перед другими углеводородами. Мо

лекулы метана связаны с поверхностью слабыми поляризационными

вандерваальсовымн силами. Поэюыу их десорбция более предпочти

тельна. Скорость химического раиныл^ння, выраженная посредством

коэффициента распыления,

•$J

4/J =

f%f

1/,/J

атом/ион, (а.!)

где /4, число десорбируемых молекул СНц

1 см~/с; j  плот

нисть тока; Tl^j скорость десорбции СНц \ /7^  гюверхностная

концентрация С//„ .

где Е

пк

г энергия активации разрыва связи С~Н , характерная

для десорбции водорода; ^~ энергия связи СИц

При достаточно низких температурах и низких концентрациях

водорода на поверхности (несколько десятых атомных долей)

£ >U

д/Уц/дТ'< О т.е. с ростом температуры число

десорбируемых молекул метана уменьшается.

7.П

ткческнй графит

 Feinberg, Post, 2001100 эВ

Wt ^

в» реакторный графит

 Бушаров я др. 10 кэВ Н

—•графит

- Wood, Wise

 Rosner, Ailendor!

 Coulon, Bonnetain

 Balooch, Olander

 Gould

ZQQ

400 600 «JO

tOQO

Температура, С

g  I _ Roth e.a.

о  Тусев и др.

200

4w Goo BOO

fOOO

Температура, С

Рас.

24. Зависимость коэффициента химического распыления угле

графитовых материалов: А  от температуру при бомбардировке

энергетнчнымн ионами; Б от температуры при взаимодействии

атомов водорода с тепловыми энергиями; в  ог энергии ионов

интервале температур 2O07S0 С, повидимому, скорость по

ступления атомов водорода на поверхность из графита постоянна:

ак

**ц

и коэффициент химического распыления достигнет максимума:

2

8,5.10

атом/ион при энергиях 10, 15 и 20 кэВ. Его величина

указывает на то, что 1/3 всех бомбардирующих атомов водорода участ

вует в образовании метана. Остальные образуют молекулы

и СгА , скорость десорбции которых равна приблизительно скорости

испарения графита. Интересно отметить, что коэффициент распыления

графита ионами водорода с энергией 0,220 кэВ в 100 раз превы

шает Выход при тепловых скоростях молекул водорода, хотя максимум

наблюдается в том же диапазоне температур (рис. 24

(

Б). При высо

ких температурах (11001400 С) развал молекул, видимо, обуслов

лен электроь

AIM

возбуждением, сечение которого растет с ростом

энергии ионов. В результате химическое распыление при высоких тем

пературах подавляется. Развитая теория пока носит качественный ха

рактер модели. Согласно этой модели, скорость химического распыле

ния не зависит от энергии. Однако в работе Дж.Рогла н др. [73] на

блюдалось уменьшение химического распыления с ростом энергии

ионов (рис.24,В). Г.М,МакКракен полагает, что это связано с умень

шением поперечного сечешя десорбции адсорбированного водорода по

мере увеличения энергии ионов.

Другим важным направлением исследований химического распыле

ния является плазмохимическое травление. За последние несколько

лет оно нашло применение в электронной промышленности £7982j .

Плазмохимическое травление обладает рядом преимуществ перед мето

дом жидкостного химического травления, используемого в микроэлек

тронной промышленной технологии. Оно обеспечивает более высокое

разрешение при изготовлении интегральных схем: исключая ручной

труд, приближает технологический процесс к созданию поточного

и автоматизированного производства; создает безопасные условия

труда и устраняет загрязнение окружающей среды. Скорость плазмо

хнмкческого травления кремния, окиси кремния, нитрида кремния

ионами, атомами и радикалами галогеносодержащих соединений состав

ляет «^1000 А/мик, что существенно больше, чем при физичес

ком распылении (в 510 раз). Например, при распылении кремния

в плазме четырехфторнстого углерода, создаваемой ВЧраэрядом, ско

рость травления была равна 900 А/мин. Скорость травления плазмой

беа ионной бомбардировки составляла 100200 А/мин. Скорость трав

ления ионами CF, без плазмы была 150 А/мин. Ос

новной вклад в распыление (550650 А/мин) L79J , видимо, вносят

атомы и радикалы фтора. В настоящее время предложено несколько

гипотез о механизмах плазмохимического травления, но теория этого

сложного явления еще не создана [82J .

Необходимы исследования элементарных процессов гетерогенных

и гомогенных реакций, протекающих в ВЧраэрядах, для создания тео

рии этого сложного физикохимического явления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе мы смогли рассмотреть одну из фундаментальных

проблем физики катодного распыления. В настоящее время она пред

ставляется наиболее актуальной. Знание закономерностей изменения

величины коэффициента распыления от главных параметров ттроцег :ов

с точностью до 10,1% стоит на первом месте в большом ряду пред

стоящие исследований распыления.

Насколько велика роль знаний закономерностей катодного распы

ления, попробуем оценить на примере телевизионных кинескопов.

В 1974 г. во всем мире насчитывалось около 315 млн. телевизоров,

в том числе в СССР 60 млн. шт. £83] . В настоящее время число

телевизоров в СССР достигло 85 млн. шт., а во всем мире  около

450 млн. шт. Срок службы кинескопов определяется в основном по

терей эмиссии катодов (4550% всех дефектов). Она происходит вслед

ствие испарения к ионного разрушения оксидного покрытия катоде, от

равления, растрескивания и осыпания его, а также оседания на него

посторонних частиц £84J . За счет нарушения вакуума выходят

из строя 2025% кинескопов. На долю ионного распыления приходит

ся около 15% всех аффектов. Стоимость чернобелого кинескопа со

ставляет в среднем около 16 дол./шг. прн гарантии I год [85] .

Средний срок службы советских кинескопов в 1974 г. составил

G7 тыс. ч, вместо 1,53 тыс. ч по сравнению с 1965 1970 гг.

[86J . При работе телевизора 3 ч в сутки (1100 ч в год) кинескоп

выйдет иа строя через 6—7 лет. Экономический ушерб от выхода

на строя кинескопов в результате ионного распыления за эти годы

составит 0,15.450.10 .16 = 1100 млн. доп. нли 170 млн.дол./год.

Пять лет назад этот ушерб составлял 0,15.300.10 .16 =

= 720 млн. дол. или примерно 360 млн. дол./год. Массовое произ

водство телевизоров было начато в 50е годы. Первые образцы элек

троннолучевых трубок были газонашленными приборами с холодным

катодом н газовой фокусировкой. Отрицательные ионы разрушали лю

минофор, образуя на экране темное "ионное* пятно. Покрытие люмино

фора тонким слоем алюминия (0,51 мхм) позволило устранять рас

пыление люминофора. Если бы срок службы чернобелых кинескопов

сохранился на уровне 1000 ч, то экономический ушерб от ионной

бомбардировки катодов я люминофоров составлял бы 0,15.450,10 .16=

= 1,1 млрд. дол./год.

Таким образом, знание закономерностей катодного распыления

и принятые меры борьбы с ионной бомбардировкой в настоящее время

сберегают затраты труда на —] млрд. дол./год. Правильный выбор

материала лервой стенки для будущих термоядерных реакторов, не

сомненно, даст большой экономический эффект.