Efectul particulelor încărcate asupra luminii de 172 nm
Efectele particulelor încărcate
În descărcarea gazoasă, particulele încărcate includ ioni și electroni, care se deplasează către electrozii opuși sub acțiunea unui câmp electric. În cele ce urmează sunt discutate câteva efecte importante produse atunci când ionii ajung la catod și electronii ajung la anod^{2,3,7,10,12,14}.
3.7.1 Efectele ionilor
Când ionii bombardează suprafața catodului, au loc o serie de fenomene fizice și chimice. Figura 3-28 arată diferitele efecte produse de bombardarea ionică pe suprafața catodului^{10}. (Figura 3-28 adnotări: Ioni incidenti, Neutri, Reflexia ionilor, Modificări ale morfologiei suprafeței, Încălzire, Deteriorări structurale, Modificări de cristalizare, Implantare sau difuzie, Electroni secundari, Electroni Auger, Strălucire catodă, Radiație optică, Desorbția gazelor adsorbite, Desorbția gazelor pulverizate, returul atomilor pulverizați)
Emisia de electroni secundari excitata de ionii pozitiviProcesul de emisie secundară de electroni declanșat de bombardarea ionică a catodului este o condiție necesară pentru menținerea descărcării autonome-susținute. Raportul dintre numărul de electroni secundari NeN_eNe și numărul de ioni incidenti NiN_iNi, sau raportul dintre curentul secundar iei_eie și curentul ionic catodic iii_iii, se numește coeficient de emisie de electroni secundari, depinde de materialul catodului, masa ionilor pozitivi, potențialul lor de ionizare și energia lor cinetică. Electronii secundari pot fi emiși numai atunci când energia ionilor incidenti depășește funcția de lucru χ\\chiχ a catodului, permițând descărcării strălucitoare să se susțină.
Bombardament ionic care încălzește catodul When ions bombard the cathode, the majority of their energy (>60%) este transformat în energie termică, determinând creșterea temperaturii catodului. În procese precum nitrurarea ionică, cementarea ionică și depunerea de vapori chimică îmbunătățită cu plasmă-(PECVD), piesa de prelucrat poate atinge temperatura necesară numai prin încălzire cu bombardament ionic fără o sursă externă de căldură. În placarea ionică, bombardarea ionică crește temperatura piesei de prelucrat, promovând difuzia atomilor de film și îmbunătățind microstructura acoperirii. În etapa de pretratare înainte de acoperire, o lampă UV de 172 nm este uneori utilizată în combinație pentru curățarea suprafețelor; radiația sa ultravioletă puternică descompune contaminanții de suprafață, sporind efectul de bombardament ionic ulterior. În acoperirea prin pulverizare, catodul țintă necesită o răcire eficientă; în caz contrar, materialul țintă se poate descompune sau chiar se poate topi.
Pulverizare catodică cauzată de ioni de gazPulverizarea catodică se referă la procesul prin care ionii cu energie înaltă-bombardează catodul, schimbând impuls și energie cu atomii țintă, provocând scăparea atomilor sau moleculelor neutre de pe suprafața catodului.
(1) Randamentul pulverizariiRandamentul de pulverizare este numărul de atomi pulverizați pe ion incident, notat cu SSS. Randamentul pulverizării depinde de tipul de particule de bombardare. Pe măsură ce energia crește, randamentul SSS prin pulverizare pentru diferite gaze care bombardează o țintă de cupru crește, așa cum se arată în Figura 3-29^{10}. Din Figura 3-29, se poate observa că cu cât numărul atomic al ionilor incidenti este mai mare și cu cât energia este mai mare, cu atât randamentul pulverizării este mai mare. Argonul este folosit de obicei ca gaz de lucru, deși azotul poate fi folosit și pentru curățarea cu bombardament a piesei de prelucrat. În unele scenarii, suprafața piesei de prelucrat este pretratată cu o lampă UV de 172 nm pentru a reduce interferența contaminanților în timpul bombardării cu gaz și pentru a îmbunătăți uniformitatea pulverizării.
Relația dintre randamentul prin pulverizare și presiune este prezentată în Figura 3-30^{10}. Din Figura 3-30, când presiunea gazului ppp este scăzută, SSS nu se modifică cu ppp; după ce ppp crește la o anumită valoare, SSS scade treptat. Acest lucru se datorează faptului că la ppp mai mare, numărul de molecule de gaz crește, ceea ce duce la mai multe ciocniri și împrăștiere, reducând numărul de ioni de argon care ajung la catod.
Relația dintre randamentul pulverizării și energia ionică incidentă este prezentată în Figura 3-31^{10}. Curba poate fi împărțită în trei regiuni^{10}: Regiunea I: regiune cu energie scăzută în care energia ionică este scăzută și aproape nu are loc pulverizare; pulverizarea începe numai atunci când energia ionică atinge „energia de prag” (de obicei 10–30 eV pentru metale).
(2) Rata de pulverizareCantitatea de material catodic pulverizat pe unitatea de timp se numește viteza de pulverizare, notată cu RRR. RRR este proporțională cu produsul dintre densitatea ionilor incidenti JiJ_iJi și randamentul de pulverizare:
O densitate mai mare de ioni incidenti sau un randament mai mare de pulverizare are ca rezultat o rată mai mare de pulverizare. În unele procese de acoperire de înaltă-precizie, efectul de activare a suprafeței al unei lămpi UV de 172 nm este combinat pentru a îmbunătăți eficiența de evacuare a atomilor țintă, îmbunătățind indirect stabilitatea ratei de pulverizare.
(3) Distribuția energiei și vitezei atomilor pulverizațiAtomii evaporați au în mod obișnuit energii de 0,1–0,2 eV, în timp ce atomii pulverizați, datorită schimbului de energie cu ionii incidenti cu energie mare-, au energii cinetice cu 1–2 ordine de mărime mai mari (în general 5–10 eV). De exemplu, cu pulverizarea cu ioni de azot de 1200 eV, energia atomului este de aproximativ 10 eV; pentru pulverizarea aluminiu/tungsten/platină, energia atomică este de aproximativ 35 eV. Curbele de distribuție a energiei cinetice ale atomilor bombardați de ioni de argon la diferite tensiuni de pulverizare (Figura 3-32^{10}) urmează o distribuție Maxwelliană, majoritatea atomilor având energii în intervalul 5-10 eV.
(4) Implantarea ionicăDupă cum se arată în Figura 3-31, când energia ionică incidentă > 30.000 eV, apar efecte de implantare (ramentul pulverizarii scade), iar particulele de bombardare pătrund mai adânc în țintă, crescând defectele cristalului în stratul de suprafață catodului. Adâncimea de implantare este de 5-10 nm/keV. Implantarea ionică este o metodă importantă pentru modificarea suprafeței materialelor. Este uneori combinat cu efectul de modificare a suprafeței al unei lămpi UV de 172 nm, unde iradierea ultravioletă introduce grupuri funcționale superficiale, permițând un control mai precis al performanței suprafeței în combinație cu implantarea ionică.
(5) Excitarea particulelor caracteristice de către fascicule de ioni de{0}}înaltă energieInstrumentele de analiză a micro-zonelor de film (de exemplu, spectrometria de masă cu sondă ionică, spectrometria cu retrodifuzare Rutherford) funcționează folosind linii spectrale caracteristice excitate de ioni.
3.7.2 Efectele electronilor
Emisia secundară de electroni de la bombardamentul electronicÎn vid, atunci când electronii bombardează o suprafață metalică cu energie electrică primară suficientă, se emite un număr mare de electroni secundari.
Bombardamentul electronic care încălzește anodulElectronii care bombardează anodul transformă energia cinetică în energie termică, care poate chiar topi și evapora materialul anodului.
Excitarea particulelor caracteristice de către electroni cu energie înaltă-Instrumentele de testare a filmelor (de exemplu, microscopia electronică cu transmisie, spectroscopia electronică Auger) funcționează folosind electroni Auger, raze X-și alte particule caracteristice excitate de fasciculele de electroni.
3.8 Mișcarea particulelor încărcate
Tehnologia de placare cu ioni este realizată în plasmă cu descărcare de gaze cu presiune joasă-, unde spațiul de acoperire conține un număr mare de ioni și electroni. În ultimii ani, cercetătorii de film subțire-au folosit câmpuri electromagnetice pentru a controla mișcarea particulelor încărcate și pentru a crește densitatea plasmei. Unele procese integrează, de asemenea, o lampă UV de 172 nm în camera de acoperire pentru a ajuta la reglarea activității plasmei și la optimizarea traiectoriilor particulelor.
3.8.3 Mișcarea particulelor încărcate în câmpuri electromagnetice
Mișcarea în câmpuri electromagnetice încrucișateParticulele încărcate sunt supuse acțiunii combinate a forței câmpului electric și a forței Lorentz^{9,10,23}. Forța asupra electronilor este:
Mișcarea în câmpuri electromagnetice radialeParticulele încărcate sunt supuse forțelor radiale (forța câmpului electric radial, forța Lorentz, forța centrifugă) și forța Lorentz transversală. Traiectorii sunt prezentate în Figura 3-39^{10}: Electronii au raze mici de rotație și frecvențe înalte, îndreptându-se spre anod; ionii au raze mari de rotație și frecvențe joase, derivând spre catod, realizând separarea plasmei.
3.9 Aplicarea Câmpurilor Electromagnetice
În ultimii ani, pentru a pregăti pelicule subțiri de{0}}performanță înaltă, mașinile de acoperire au fost echipate cu diferite câmpuri electromagnetice. Proiectarea corectă a câmpurilor electromagnetice și utilizarea energiei plasmei poate servi întregului proces de acoperire. Încorporarea simultană a echipamentelor auxiliare, cum ar fi lămpile UV de 172 nm, poate îmbunătăți și mai mult puritatea filmului și consistența performanței.
(Conținutul următor: Tehnologia modernă de placare cu ioni)
