Плазма — это газообразное вещество, полностью или частично ионизированное под воздействием температуры, электрического разряда, фотоионизации или гамма-излучения.
В плазме физические процессы обычно идут таким образом, это энергия от внешних источников передается электронам и при соударении электронов с ионами частично переходит к ионам. Электроны обладают более высокими энергиями, чем ионы, энергия ионов превышает энергии нейтральных атомов и молекул, поэтому в плазме различают три температуры: электронную Те, ионную Ti и атомную Та. При этом обычно Те ≥ Ti > Та
Большое различие между Те и Ti характернее для большинства форм газового разряда, обусловлено большой разницей в величине масс электронов и ионов. Внешние источники электрической энергии, при помощи которых создается и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы. Ионы получают энергию в результате столкновений с быстро движущимися электронами.
Основные свойства плазмы — яркое свечение, высокая температура, хорошая электрическая проводимость. Кроме того, на нее могут влиять электрические и магнитные силы. В плазме каждая отдельная частица все время находится в поле, создаваемом остальными электронами и ионами. Это поле непрерывно изменяется по величине и направлению.
|
|
Рис. 17.
В ионно-плазменных процессах используют ионы газоразрядной плазмы тлеющего, дугового, ВЧ- и СВЧ-разрядов. Рассмотрим образование плазмы в высокочастотном разряде низкого давления. Различные способы возбуждения ВЧ-разрядов показаны на рис. ниже.
Схемы возбуждения ВЧ-разряда:
а —с внешними электродами; б— Н-разряда 1 — электроды; 2 — плазма; 3 — катушка
В ВЧ-разрядах процессы на электродах играют второстепенную роль. Возбуждение Е-разряда происходит с помощью высокочастотного электрического поля. Электроды могут находиться либо внутри, либо вне разрядной камеры. Возбуждение Н-разряда происходит индуктивно с помощью индуцированного электрического поля. При сильном взаимодействии между электронами и частицами газа электроны могут принимать в первом полупериоде большую энергию, чем отдавать во втором полупериоде благодаря сдвигу фаз их движения относительно электрического поля. При приобретении достаточной энергии начинается процесс ионизации электронным ударом.
При vs=ωE происходит передача.мощности и, кроме того, необходимая для зажигания разряда напряженность электрического поля имеет минимальное значение. Это значит, что для достижения оптимальных условий ионизации необходимо подбирать оптимальное соотношение значений давления рабочего газа и частоты электрического поля.
|
|
Достоинства ионно-плазменных процессов — возможность обработки большой площади с достаточно высокой равномерностью и высокая плотность ионного тока при малых энергиях ионов; недостатки — высокое давление в области мишени (~10 Па), приводящее к обратной диффузии распыляемых частиц, и воздействие плазмы на мишень.
В ионно-лучевых процессах используют ионный пучок, полученный формированием ионов в газовом разряде фокусировкой в системах ионной оптики.
Схематическое изображение ионного источника с высокочастотным разрядом:
Н-разряд с поперечным магнитным полем и многолучевым извлечением ионного пучка;
1 — место ввода рабочего газа; 2 — анод; 3 — разрядная камера; 4 — возбуждающие разряд электроды; 5 — катушка возбуждающего разряд контура; 6 — магнит; 7 —зонд с каналами; 8 — замедляющий электрод; 9 — зажигатель; Uy — ускоряющее напряжение; U3 — замедляющее напряжение
К недостаткам ионно-лучевых процессов относятся нестабильность ионной оптики, а следовательно, плотности тока и энергии, а также неэкономичность. При разработке различных ионно-лучевых источников основной задачей является повышение их эффективности (скорости и равномерности осуществления процесса), а также снижение их радиационного воздействия на элементы интегральных схем и энергоемкости. Особый интерес представляют многопучковые источники с осцилляцией электронов. Конструирование этих источников идет в направлении увеличения диаметра пучка до 250 мм и более при большой равномерности распределения энергии по диаметру пучка в диапазоне энергий от нескольких десятков до нескольких сотен электронвольт.