Метод ионно-лучевого осаждения

Метод ионно-лучевого осаждения. Одним из основных достоинств метода осаждения из ионных пучков является возможность получения веществ, не существующих в природе или находящихся при нормальных условиях в метастабильном состоянии (например, алмаз, карбид кремния). Ранее такие материалы получали только при высоких давлениях и температуре или в сильных ударных волнах.

Рост пленки при ионно-лучевом осаждении позволяет получать плотные кристаллические модификации, не прибегая к традиционным методам.

Существует большое количество веществ имеющих ряд устойчивых кристаллических модификаций. В каждом состоянии решетка будет обладать своим минимумом свободной энергии. Так для углерода существует несколько устойчивых модификаций соответствующих графиту, алмазу, металлическому углероду и другим плотным алмазоподобным структурам. В таком случае обеспечить ионам энергию, необходимого для преодоления потенциального барьера, отделяющего одну кристаллическую фазу от другой, можно простым регулированием потенциала подложки.

Причем разброс ионов по энергии не должен превышать разность в высоте потенциальных барьеров, разделяющих две близких кристаллических модификации. Максимальная энергия падающих ионов определяется энергетическим порогом дефектообразования (для алмаза 60-80 эВ). С учетом возможной потери энергии падающих ионов и диапазон их энергетического распределения является важнейшим, но не единственным условием, т.к. механизм взаимодействия при синтезе материалов из энергетических ионных пучков сложен.

Осаждение иона на поверхность сопровождается релаксационными колебаниями, разогревом поверхности за счет выделения энергии. Перечисленные эффекты, безусловно, не охватывают весь комплекс явлений сопровождающих процесс конденсации. Действие некоторых из них будет отрицательным для синтеза. Воздействовать на степень того или иного эффекта можно различными путями, например, изменять температуру подложки или условия подлета ионов к поверхности или одновременно с осаждением ионов облучать поверхность электронными или ионными пучками.

В исследовании источником ионов является прототип космического электрореактивного двигателя (ЭРД), который в литературе называют ускорителем с анодным слоем и азимутальным дрейфом (УАД). В УАД разгон ионов происходит в квазинейтральной плазме, а потому могут быть получены более высокие, чем обычно, значения плотностей ионного тока. УАД обладает также рядом других достоинств: универсальностью к рабочему веществу, возможностью управления потока и т.д. Принципиальная схема источника показана на рис.1. Со стороны анода в ускоритель поступает поток ионов, которые создаются вблизи анода путем ионизации нейтральных атомов.

Металлические стенки ускорительного канала находятся под катодным потенциалом. Магнитная система создает в кольцевом зазоре ускорителя радиальное магнитное поле, постепенно спадающее в области анода и у среза ускорителя. Магнитное поле в основном имеет поперечную компоненту, а электрическое - продольную, поэтому такие системы называют еще ускорителями в скрещенных электрических и магнитных полях или ВЕ разрядом.

В скрещенных В и Е полях на электроны действует сила Лоренца, вызывая их дрейф в азимутальном направлении. В результате, в кольцевом зазоре формируется двойной азимутально-однородный электрический слой. В этих условиях подвижность электронов поперек магнитного поля резко ограничена и внешнее электрическое поле совершает работу главным образом над ионами, ускоряя их вдоль оси системы. Рис.1 Источник ионов (ЭРД). 1 магнитопровод. 2 анод. 3 металлическая оболочка-катод. 4 изолятор. 5 канал для подвода рабочего вещества.

Ток и энергия пучка ускоренных частиц - это основные характеристики ускорителя любого типа, позволяющие определить производительность установки и возможность ее использования в том или ином производственном процессе или эксперименте. Цилиндр Фарадея - это наиболее распространенный прибор, используемый в качестве первичного эталонного прибора для измерения токов пучков заряженных частиц.

При измерении тока, пучок частиц попадает на изолированный от окружающих предметов электрод, который задерживает частицы пучка и почти все вторичные частицы, образующиеся при столкновении частиц пучка с материалом электрода. Основные достоинства рассматриваемого метода - высокая точность и возможность измерения весьма малых токов. К недостаткам цилиндра Фарадея относятся большие размеры и невозможность получить информацию о токе пучка, не нарушив его. Принципиальная схема цилиндра Фарадея показана на рис.2. Рис.2 Зонд для измерения плотности тока.