Vliv nabitých částic na 172nm světlo
Účinky nabitých částic
V plynovém výboji nabité částice zahrnují ionty a elektrony, které se pohybují směrem k opačným elektrodám působením elektrického pole. Následuje popis některých důležitých efektů, které vznikají, když ionty dosáhnou katody a elektrony dosáhnou anody^{2,3,7,10,12,14}.
3.7.1 Účinky iontů
Když ionty bombardují povrch katody, dochází k řadě fyzikálních a chemických jevů. Obrázek 3-28 ukazuje různé efekty způsobené iontovým bombardováním na povrchu katody^{10}. (Poznámky na obrázku 3-28: Dopadající ionty, Neutrály, Odraz iontů, Změny morfologie povrchu, Zahřívání, Strukturální poškození, Změny krystalizace, Implantace nebo difúze, Sekundární elektrony, Augerovy elektrony, Katodová záře, Optické záření, Desorpce adsorbovaných plynů, Desorpce rozprášených atomů, rozprašování
Emise sekundárních elektronů excitovaná kladnými iontyProces emise sekundárních elektronů spouštěný iontovým bombardováním katody je nezbytnou podmínkou pro udržení auto{0}}udržovacího výboje. Poměr počtu sekundárních elektronů NeN_eNe k počtu dopadajících iontů NiN_iNi, neboli poměr sekundárního proudu iei_eie k proudu katodových iontů iii_iii, se nazývá emisní koeficient sekundárních elektronů, závisí na materiálu katody, hmotnosti kladných iontů, jejich ionizačním potenciálu a jejich kinetické energii. Sekundární elektrony mohou být emitovány pouze tehdy, když energie dopadajících iontů překročí pracovní funkci χ\\chiχ katody, což umožňuje udržení doutnavého výboje.
Iontové bombardování zahřívání katody When ions bombard the cathode, the majority of their energy (>60 %) se přemění na tepelnou energii, což způsobí zvýšení teploty katody. V procesech, jako je iontová nitridace, iontové nauhličování a plazmová-chemická depozice z plynné fáze (PECVD), může obrobek dosáhnout požadované teploty pouze ohřevem iontovým bombardováním bez externího zdroje tepla. Při iontovém pokovování zvyšuje bombardování ionty teplotu obrobku, podporuje difúzi atomů filmu a zlepšuje mikrostrukturu povlaku. Ve fázi předúpravy před nátěrem se někdy používá 172 nm UV lampa v kombinaci pro čištění povrchu; jeho silné ultrafialové záření rozkládá povrchové nečistoty a zesiluje následný efekt iontového bombardování. Při naprašování vyžaduje katoda terče účinné chlazení; jinak se materiál terče může rozložit nebo dokonce roztavit.
Katodové rozprašování způsobené ionty plynuKatodové rozprašování označuje proces, při kterém vysokoenergetické ionty bombardují katodu a vyměňují hybnost a energii s cílovými atomy, což způsobuje únik neutrálních atomů nebo molekul na povrchu katody.
(1) Výtěžnost rozprašováníVýtěžek rozprašování je počet atomů rozprášených na dopadající iont, označovaný SSS. Výtěžnost rozprašování závisí na typu bombardovací částice. Se zvyšující se energií se zvyšuje výtěžnost rozprašování SSS pro různé plyny ostřelující měděný terč, jak je znázorněno na obrázku 3-29^{10}. Z obrázku 3-29 je vidět, že čím vyšší je atomové číslo dopadajících iontů a čím vyšší je energie, tím větší je výtěžnost naprašování. Jako pracovní plyn se obvykle používá argon, ačkoli dusík lze také použít pro čištění ostřelováním obrobku. V některých scénářích je povrch obrobku předupraven 172 nm UV lampou, aby se snížila interference kontaminantů během ostřelování plynem a zlepšila se rovnoměrnost rozprašování.
Vztah mezi výtěžností naprašování a tlakem je znázorněn na obrázku 3-30^{10}. Z obrázku 3-30, když je tlak plynu ppp nízký, SSS se nemění s ppp; po zvýšení ppp na určitou hodnotu SSS postupně klesá. Je to proto, že při vyšším ppp se počet molekul plynu zvyšuje, což vede k většímu počtu srážek a rozptylu, čímž se snižuje počet argonových iontů, které se dostanou ke katodě.
Vztah mezi výtěžností naprašování a energií dopadajících iontů je znázorněn na obrázku 3-31^{10}. Křivku lze rozdělit do tří oblastí^{10}: Oblast I: Oblast s nízkou energií, kde je energie iontů nízká a nedochází k téměř žádnému rozprašování; rozprašování začíná pouze tehdy, když energie iontu dosáhne „prahové energie“ (typicky 10–30 eV pro kovy).
(2) Rychlost rozprašováníMnožství katodového materiálu rozprášeného za jednotku času se nazývá rychlost rozprašování, označovaná RRR. RRR je úměrné součinu hustoty dopadajících iontů JiJ_iJi a výtěžku naprašování:
Vyšší hustota dopadajících iontů nebo vyšší výtěžek rozprašování má za následek vyšší rychlost rozprašování. V některých-procesech vysoce přesného potahování se efekt povrchové aktivace 172nm UV lampy kombinuje, aby se zvýšila účinnost úniku cílových atomů, čímž se nepřímo zlepšuje stabilita rychlosti rozprašování.
(3) Rozložení energie a rychlosti rozprášených atomůOdpařené atomy mají obvykle energie 0,1–0,2 eV, zatímco rozprašované atomy mají díky výměně energie s dopadajícími ionty o vysoké energii{2}} kinetické energie o 1–2 řády vyšší (obecně 5–10 eV). Například při 1200 eV rozprašování dusíkových iontů je energie atomu asi 10 eV; pro naprašování hliník/wolfram/platina je energie atomu asi 35 eV. Křivky distribuce kinetické energie atomů bombardovaných argonovými ionty při různých rozprašovacích napětích (obrázek 3-32^{10}) sledují Maxwellovu distribuci, přičemž většina atomů má energie v rozmezí 5–10 eV.
(4) Iontová implantaceJak je znázorněno na obrázku 3-31, když energie dopadajícího iontu > 30 000 eV, dochází k implantačním efektům (výtěžek rozprašování se snižuje) a bombardující částice pronikají hlouběji do cíle, čímž se zvětšují krystalové defekty v povrchové vrstvě katody. Hloubka implantace je 5–10 nm/keV. Iontová implantace je důležitou metodou povrchové úpravy materiálů. Někdy se kombinuje s efektem povrchové modifikace 172 nm UV lampy, kde ultrafialové záření zavádí mělké funkční skupiny, umožňující přesnější kontrolu povrchového výkonu ve spojení s iontovou implantací.
(5) Excitace charakteristických částic vysokoenergetickými iontovými paprsky-Nástroje pro mikro-oblastní analýzu filmu (např. hmotnostní spektrometrie s iontovou sondou, Rutherfordova spektrometrie se zpětným rozptylem) pracují pomocí charakteristických spektrálních čar excitovaných ionty.
3.7.2 Účinky elektronů
Emise sekundárních elektronů z elektronového bombardováníVe vakuu, kdy elektrony bombardují kovový povrch dostatečnou energií primárních elektronů, je emitováno velké množství sekundárních elektronů.
Elektronové bombardování zahřívání anodyElektrony bombardující anodu přeměňují kinetickou energii na tepelnou energii, která může dokonce roztavit a odpařit materiál anody.
Excitace charakteristických částic vysokoenergetickými elektrony-Přístroje pro testování filmu (např. transmisní elektronová mikroskopie, Augerova elektronová spektroskopie) pracují pomocí Augerových elektronů, rentgenových paprsků a dalších charakteristických částic excitovaných elektronovými paprsky.
3.8 Pohyb nabitých částic
Technologie iontového pokovování se provádí v nízkotlakém-plazmovém výboji, kde povlakový prostor obsahuje velké množství iontů a elektronů. V posledních letech výzkumníci tenkých-filmů používali elektromagnetická pole k řízení pohybu nabitých částic a ke zvýšení hustoty plazmatu. Některé procesy také integrují 172 nm UV lampu do potahovací komory, která pomáhá při regulaci aktivity plazmatu a optimalizaci trajektorií částic.
3.8.3 Pohyb nabitých částic v elektromagnetických polích
Pohyb ve zkřížených elektromagnetických políchNabité částice podléhají kombinovanému působení síly elektrického pole a Lorentzovy síly^{9,10,23}. Síla na elektrony je:
Pohyb v radiálních elektromagnetických políchNabité částice jsou vystaveny radiálním silám (radiální síla elektrického pole, Lorentzova síla, odstředivá síla) a příčná Lorentzova síla. Trajektorie jsou znázorněny na obrázku 3-39^{10}: Elektrony mají malé poloměry rotace a vysoké frekvence, snášejí se směrem k anodě; ionty mají velké poloměry rotace a nízké frekvence, driftují směrem ke katodě, čímž se dosahuje separace plazmatu.
3.9 Aplikace elektromagnetických polí
V posledních letech byly k přípravě vysoce výkonných tenkých filmů{0}} potahovací stroje vybaveny různými elektromagnetickými poli. Správné navržení elektromagnetických polí a využití plazmové energie může obsloužit celý proces lakování. Současné začlenění pomocných zařízení, jako jsou 172 nm UV lampy, může dále zlepšit čistotu filmu a konzistenci výkonu.
(Následný obsah: Moderní technologie iontového pokovování)
