2.5. Неупругие столкновения тяжелых частиц

Вероятность неупругого взаимодействия значительна только если относительная скорость частиц примерно равна скорости электрона в атоме (10⁸ см/с), что соответствует энергии тяжелых частиц в 10 – 100 кэВ, поэтому для газоразрядной плазмы низкого давления неупругие взаимодействия тяжелых частиц типа возбуждение, диссоциация и ионизация являются несущественными.

2.6. Химические реакции в плазме

Коэффициенты скорости реакций. Реакции ассоциации (присоединения), обменные, замещения, в объеме и на поверхности. Химические реакции в плазме как вторичные процессы активации газоплазменной среды.

38. Автоэлектронная эмиссия

(туннельная эмиссия, полевая эмиссия), испускание эл-нов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внеш. электрич. поля высокой напряжённости E(=107 В/см) у их поверхности. Механизм А. э.- туннельное прохождение эл-нов сквозь потенц. барьер на границе проводник - непроводящая среда (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ). Наиболее полно изучена А. э. металлов в вакуум. Плотность тока А. э. в этом случае определяется приближённой ф-лой:

к-рая хорошо описывает А. э. в интервале j от 10-5 до 107 А/см2. Здесь Ф=еj - работа выхода эмиттера (j - потенциал работы выхода, е - заряд эл-на). Характерные св-ва А. э.: высокие j (до 1010 А/см2) и экспоненциальная зависимость j от Е и Ф. При j>106 А/см2 могут наблюдаться отклонения зависимости lgj=f(1/E) от линейной, что связывают с влиянием объёмного заряда или же с особенностями формы потенц. барьера. При j=108-1010 А/см2 А. э. может перейти в вакуумный пробой с разрушением эмиттера. Этот переход сопровождается интенсивной, т. н. взрывной электронной эмиссией. А. э. слабо зависит от темп-ры Т, малые отклонения от зависимости (*) с ростом Т пропорц. T2, С дальнейшим ростом Т и понижением Е т. н. термоавтоэлектронная эмиссия переходит в термоэлектронную эмиссию, усиленную полем за счёт Шоттки эффекта.

Энергетпч. спектр эл-нов, вылетающих из металла в случае А. э., весьма узок (полуширина =0,1 эВ). Форма спектра чувствительна к распределению эл-нов по энергиям внутри эмиттера, а также к наличию примесей на его поверхности. Для А. э. полупроводников характерны внутр. ограничения j, связанные с меньшей концентрацией эл-нов, дополнит. влияние поля на j из-за проникновения поля в ПП, а также термо- и фоточувствительность ПП, влияющая на j.

Автоэмиттеры (холодные катоды) имеют большую кривизну поверхности (острия, лезвия, выступы и т. п.). Анод, совмещённый с люминесцирующим экраном, превращает одноострийный автоэмиссионный диод в эмиссионный безлинзовый электронный микроскоп (проектор).

39. Электронно-лучевое напыление

В производственных условиях широко используется электронно-лучевые испарители, которые позволяют получать тонкие пленки металлов, сплавов и диэлектриков. Хорошая фокусировка электронного пучка в этих испарителях позволяет получать большую концентрацию мощности (до 5·10⁸ Вт/см²) и высокую температуру, что обеспечивает возможность испарения с большой скоростью даже самых тугоплавких материалов. Быстрое перемещение нагретой зоны в результате отклонения потока электронов, возможность регулирования и контроля мощности нагрева и скорости осаждения создают предпосылки для автоматического управления процессом. Метод позволяет получить высокую чистоту и однородность осаждаемой пленки, поскольку реализуется автотигельное испарение материала.

Принцип действия электронно-лучевого испарителя таков. В электронной пушке происходит эмиссия свободных электронов с поверхности катода и формирование их в пучок под действие ускоряющих и фокусирующих электростатических и магнитных полей. Через выходное отверстие пушки пучок выводится в рабочую камеру. Для проведения электронного пучка к тиглю с испаряемым материалом и обеспечения параметров пучка, требуемых для данного технологического процесса, используют главным образом магнитные фокусирующие линзы и магнитные отклоняющие системы. Беспрепятственное прохождение электронного пучка до объекта возможно только в высоком вакууме. В камере испарителя устанавливается рабочее давление около 10^-4 Па. Испаряемый материал нагревается вследствие бомбардировки его поверхности электронным пучком до температуры, при которой испарение происходит с требуемой скоростью. В образовавшемся потоке пара располагают подложку, на которой происходит конденсация. Испарительное устройство дополняют средствами измерения и контроля, которые особенно важны для управления электронного пучка в процессе напыления.

Основные параметры, достижимые в электронно-лучевых испарителях: 10⁴-10⁵ Вт/см²; удельная скорость испарения - 2·10^-3 -2·10^-2 г/(см² ·с); эффективность процесса испарения (по меди) - 3·10^-6 г/Дж; энергия генерируемых частиц – 0,1-0,3 эВ; скорость осаждения частиц на подложке – 10-60 нм/с.

В простейшем случае электронный пучок направляют на исправляемый материал сверху отвесно или под косым углом к поверхности. При этом для обеспечения фокусировки пучка и получения требуемой удельной мощности на поверхности испаряемого материала используют длиннофокусные генераторы электронных пучков. Существенными недостатками такого расположения являются возможность образования пленок на деталях электронно-оптической системы, что приводит к изменению параметров электронного луча, и ограничение полезной площади для размещения подложки из-за затенения части технологической камеры пушкой. Указанных недостатков можно избежать, размещая пушку горизонтально и отклоняя электронный пучок на испаряемый материал с помощью различных систем, обеспечивающих поворот пуска на угол до 270°.

К недостаткам метода электронно-лучевого испарения следует отнести:

- необходимости наличия высокого ускоряющего напряжения (порядка 10 кВ);

- низкий энергетический КПД установок ввиду затрат энергии на образование вторичных электронов (до 25 % энергии первичного пучка) нагрев тигля, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение;

- газовыделение в рабочем объеме вследствие бомбардировки вторичными электронами подложки, технологической оснастки и стенок камеры;

- генерацию радиационных дефектов в наносимых тонких пленках при бомбардировке их вторичными электронами;

- отсутствие заметной ионизации потока осаждаемого вещества;

- плохую адгезию тонких пленок к основе вследствие низкой энергии осаждаемых частиц.