Плазма и ее использование в ионно-плазменных процессах и ионно-лучевых источниках

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 Т_е, ионную Ti и атомную Т_а. При этом обычно Т_е ≥ Ti > Т_а

Большое различие между Т_е и T_i 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 v_s=ω_E 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; U_y — 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.