22. Плазмові технології осадження алмазних плівок

Алмаз — форма вуглецю. Добре сприймає різні домішки, є найтвердішим матеріалом, має найбільшу теплопровідність. Є діелектриком, має велику ширину забороненої зони. Якщо до алмазу додати домішок, отримаємо н/п, що може працювати при дуже великих полях. Надзвичайно інертний.

Графіт можна перетворити в алмаз при великих значеннях Т і Р (1500℃, 60000атм). Вуглець розчиняється в перехідному металі, утворюються зародки алмазів, які починають зростати. У Generic electric отримали алмазні плівки при низьких тисках.

У 1971 році Ангус доповів таку роботу:

Молекула метану, що сідає на спіраль, може дисоціювати, з’являються вільні атоми, які сідають на молібденову підкладку. На поверхні буде все підряд: сажа (80%), графіт, зародки алмазу. Тримають це все десь добу, після чого викачують метан і напускають речовину, яка б знищила сажу і графіт. Це може бути водень H₂ або речовини типу С_хН_у (гази або рідини). Водень теж частково продисоціює на спіралі, утворяться вільні атоми і піде реакція. Оскільки алмаз дуже інертний, з ним ніщо реагувати не буде. Але цей спосіб відрізняється малою швидкістю зростання плівок.

Японці запропонували зразу подавати суміш СН₄/Н₂ у співвідношенні 0.05/0.95. Водень одразу виїдає сажу. Процес росту плівок пішов швидше.

23. Плазмова технологія осадження плівок

Я кщо мова йде про металічні плівки, то можна зробити наступним чином. Беремо вакуумний об’єм, заповнюємо його галогенідом металу (сполукою фтору, брому, йоду чи хлору з металом), пускаємо розряд. Внаслідок цього метал осідає на поверхні у вигляді плівки, а галоген потім відкачуємо.

Якщо ж мова йде про іншу муть, то тут усе складніше. Наприклад, для алмазу ось так. Молекула метану, що сідає на спіраль, може дисоціювати, з’являються вільні атоми, які сідають на молібденову підкладку. На поверхні буде все підряд: сажа (80%), графіт, зародки алмазу. Тримають це все десь добу, після чого викачують метан і напускають речовину, яка б знищила сажу і графіт. Це може бути водень H₂ або речовини типу С_хН_у (гази або рідини). Водень теж частково продисоціює на спіралі, утворяться вільні атоми і піде реакція. Оскільки алмаз дуже інертний, з ним ніщо реагувати не буде. Але цей спосіб відрізняється малою швидкістю зростання плівок.

Японці запропонували зразу подавати суміш СН₄/Н₂ у співвідношенні 0.05/0.95. Водень одразу виїдає сажу. Процес росту плівок пішов швидше.

24. Дуговий розряд

Основна особливість дугового розряду (arcdischarge) –це низьке падіння потенціалу (десятки чи навіть одиниці вольт) і великі струми (типова густина струму на катоді – 102-108 А/см2).

Назва дугового розряду пов’язана з тим, що при горизонтальному розташуванні електродів середина плазмового стовпа, де внаслідок розігріву густина газу зменшується, вигинається догори під дією архімедової сили, тоді як його кінці прив’язані до електродів

При переході від нормального тліючого розряду до аномального при збільшенні струму відбувається зростання Uк – катодного падіння потенціалу та зменшення dк-ширини області катодного падіння потенціалу. Із–за цього енергія іонів, що бомбардують анод, зростає. При великих розрядних струмах ( точка „е” на ВАХ розряду) – розігрів катоду стає дуже помітним.

При цьому з–за неоднорідності катоду та від різних умов охолодження окремих ділянок катоду одна з ділянок катода розігрівається сильніше і починає емітувати електрони додатково. Зростання Іе з цієї ділянки призводить до утворення більш інтенсивної місцевої лавини і, таким чином, до подальшого зростання числа іонів, що бомбардують цю ділянку. Ці процеси призводять, в свою чергу, до стягування розряду у пляму малого розміру. Ця пляма називається катодною плямою. В плямі головна емісія – це термоемісія, а не - процес. В трубці встановлюється нова форма розряду – дуговий. Як і при тліючому розряді перед катодом знаходиться ділянка катодного падіння потенціалу. Однак відмінності у них дуже помітні: 1) ширина dк~ довжині вільного пробігу електрона ( у тліючому розряді dк ~ декілька ). 2) Uк дугового розряду << Uк тліючого розряду.

Uк~ потенціалу іонізації газу, що заповнює трубку.

Можливість горіння розряду при малому Uк пояснюється тим, що а) зменшення dк призводить до підтримки біля катоду помітного градієнту потенціалу; б) для підтримки високої температури плями важлива не енергія окремого іона, що бомбардує катод, а їх сумарна енергія. Густина енергії виявляється великою, бо при переході до дугового розряду дуже сильно зростає струм і особливо густина струму у катодній плямі.

Стовп дугового розряду, який знаходиться за ділянкою катодного падіння потенціалу, займає майже весь розрядний проміжок і якісно такий же, як у тліючого розряду. Кількісні відповідності пов’язані з величиною розрядного струму.

Зменшення напруги на трубці при переході від тліючого розряду до дугового відбувається автоматично за рахунок збільшення падіння напруги на баластному опорі при зростанні струму. Цей механізм емісії електронів з катоду при дуговому розряді має місце тільки при катодах з тугоплавких матеріалів (W, графіт). Тільки ці матеріали здатні грітися до 3000 К і забезпечувати струм у сотні ампер.

Якщо катодом є ртуть, або легкоплавкий метал, то такого сильного нагрівання не може бути, бо енергія іонів визначається на випаровуванні матеріалу катоду. В трубках з такими катодами емісія електронів забезпечується автоелектронною емісією. Утворенню сильного електричного поля біля катоду сприяє інтенсивне випаровування матеріалу катода, яке безпосередньо біля катоду утворює високий тиск речовини. При цьому (середня довжина вільного пробігу електронів), а отже і dк ( ширина ділянки катодного падіння потенціалу) спадає до м. Тоді, , тобто автоемісією забезпечено!

В позитивному стовпі дугового розряду виділяється значна потужність.

Газ у стовпі являє собою щільну низькотемпературну плазму. Джоулева теплота, що виділяється при протіканні струму, компенсує всі втрати енергії, підтримуючи плазму в стаціонарному стані.

Існує багато різновидів дугового розряду.

3.5.1.1. Дуга з гарячим термоемісійним катодом

Катод у такій дузі нагрітий майже до температури плавлення (або сублімації), Т3000 К, тому сильний струм забезпечується термоелектронною емісією. Струм виходить зі стаціонарної плями, що займає помітну частину катоду. Такий режим можуть витримати лише тугоплавкі речовини, що слабко випаровуються.

Слід зазначити, що біля катоду дуги, як і в жевріючому розряді, виникає об’ємний заряд, який породжує сильне електричне поле. Тому стає суттєвою і автоелектронна емісія, особливо поблизу локальних неоднорідностей поверхні катоду.

3.5.1.2. Дуга з холодним катодом

Якщо дуга запалюється між електродами з легкоплавких матеріалів (мідь, залізо, срібло, ртуть), то струм протікає через одну або багато маленьких плям на катоді, які безладно перемішуються, виникають та зникають. На короткий час локалізації плями метал у цьому місці розігрівається, руйнується, випаровується але катод у цілому залишається порівняно холодним. Основним механізмом виходу електронів з катодних плям є, як термоавтоелектронна емісія.

3.5.1.3. Вакуумна дуга

Вакуумна дуга – це дуга з катодними плямами, що горить у парах металів, які швидко заповнюють первісно вакуумний міжелектродний проміжок внаслідок інтенсивної ерозії та випаровування електродів.

3.5.1.4. Дуга високого та надвисокого тиску

При тиску більше 0.1-0.5 атм у позитивному стовпі дуги утворюється щільна низькотемпературна рівноважна плазма, що підтримується електричним полем. Температура такої дуги складає (6-12)103К, але за спеціальних умов досягається температура до 5104К.При тисках більше 10 атм (дуга надвисокого тиску) до 80-90% джоулевого тепла переходить у випромінювання.