Газоразрядное устройство для демонстрации ионного распыления металла

Полезная модель относится к учебным приборам по технологии интегральных микросхем (ИМС) и может быть использована при проведении лабораторных работ по технологии ИМС и полупроводниковых приборов в высших и средних учебных заведениях.
Известен учебный прибор по физике (см. SU 1651312 А1, МПК G09B 23/18. Опубл. 23.05.1991. Бюл. №19), содержащий основание, высоковольтный источник тока, подключенные к нему металлические электроды - катод, снабженный стержнями с заостренными концами, и анод в виде сетки, жестко установленные на основании, а также установленный на основании защитный кожух, открытый с торцов и накрывающий электроды, при этом напротив торца защитного кожуха, соответствующего аноду, расположен индикатор воздушного потока. При высокой разности потенциалов катода и анода, превышающей 10 кВ, и большой кривизне заостренных катодных концов в области острий возникает коронный разряд, в котором явления на катоде сходны с явлениями на катоде тлеющего разряда. При этом ускоренные сильным полем положительные ионы выбивают из катода электроны, которые вызывают ионизацию и возбуждение молекул в коронирующем слое, вследствие чего газ светится. Во внешней области короны поле недостаточно для ускорения электронов до энергии, необходимой для ионизации. Поэтому проникшие в эту область электроны дрейфуют под действием поля к аноду и частично захватываются молекулами с образованием отрицательных ионов. Последние под действием поля также дрейфуют к аноду, увлекая за собой нейтральные молекулы газа, в результате чего возникает движение газа, называемое электрическим ветром. Наличие этого потока демонстрируется средством для индикации воздушного потока. Недостатками этого учебного прибора являются небольшие размеры светящихся областей газа около заостренных катодных концов и высокая разность потенциалов катода и анода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принятым за прототип является газоразрядная трубка для демонстрации тлеющего разряда (см. RU 2405213 С1, МПК G09B 23/12, H01J 15/00. Опубл. 27.11.2010. Бюл. 33), содержащая прозрачную газоразрядную трубку, отвод, служащий для подсоединения к вакуумному насосу для обеспечения откачивания воздуха из трубки, электроды, расположенные на концах трубки и подсоединенные к высоковольтному источнику напряжения, и штатив в качестве держателя трубки. При этом, по меньшей мере, один конец трубки выполнен открытым и закупорен съемным укупоривающим средством. Недостатком прототипа является довольно высокая (порядка 1000 В) разность потенциалов катода и анода, а также отсутствие возможности демонстрации ионного катодного распыления металла, что ограничивает его эксплуатационные возможности.
Заявляемая полезная модель решает техническую задачу расширения эксплуатационных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое газоразрядное устройство для демонстрации ионного распыления металла содержит прозрачную газоразрядную трубку, катодный и анодный электроды, расположенные в трубке и подсоединенные к источнику постоянного тока, и держатель трубки, причем оба конца газоразрядной трубки вакуумно-плотно закрыты съемными средствами, снабженными вакуумно уплотненными к ним катодным и анодным электрическими вводами, отводом для откачивания воздуха из трубки и вводом для поступления рабочего газа в трубку, и дополнительно снабжено магнитной системой, состоящей из магнитопровода и магнитных элементов, образующих на их свободных концах замкнутый магнитный зазор, подставкой для магнитной системы, тепловым экраном в виде набора дисков, выполненных из немагнитного металла, и диэлектрическими элементами из плавленого кварца, расположенными между катодным электродом и установленным на магнитной системе тепловым экраном. При этом газоразрядная трубка выполнена из плавленого кварца, магнитные элементы - из сплава ферромагнитного металла с редкоземельным металлом, а тепловой экран - в виде набора дисков из алюминиевой фольги.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид предлагаемого газоразрядного устройства; на фиг. 2 показан продольный разрез газоразрядного устройства по плоскости чертежа на фиг. 1 (при этом держатель газоразрядной трубки не показан).
Газоразрядное устройство для демонстрации ионного распыления металла содержит прозрачную газоразрядную трубку 1, катодный 2 и анодный 3 электроды, расположенные в трубке 1 и подсоединенные к источнику постоянного тока (не показан), и держатель 4 трубки 1, причем оба конца газоразрядной трубки 1 вакуумно-плотно закрыты съемными средствами 5 и 6, снабженными вакуумно уплотненными к ним катодным 7 и анодным 8 электрическими вводами, отводом 9 для откачивания воздуха из трубки 1 и вводом 10 для поступления рабочего газа в трубку, дополнительно снабжено магнитной системой, состоящей из магнитопровода 11 и магнитных элементов 12 и 13, образующих на их свободных концах замкнутый магнитный зазор, подставкой 14 для магнитной системы, тепловым экраном 15 в виде набора дисков, выполненных из немагнитного металла, и диэлектрическими элементами 16 из плавленого кварца, расположенными между катодным электродом 2 и установленным на магнитной системе тепловым экраном 15. Выполнение теплового экрана 15 на магнитной системе в виде набора дисков из немагнитного металла сильно ослабляет нагрев магнитной системы при отсутствии водяного охлаждения (в рабочем режиме температура магнитной системы не превышает 50°C), а диэлектрические элементы 16 из плавленого кварца, расположенные между катодом 2 и тепловым экраном 15, ограничивают область тлеющего разряда площадью катода 2.
В конкретном примере выполнения газоразрядная трубка 1 выполнена в виде отрезка кварцевой трубки длиной 30 см с внутренним диаметром 70÷72 мм и внешним диаметром 80 мм, а подставка 14 для магнитной системы - в виде отрезка кварцевой трубки длиной 10 см с внутренним диаметром 60÷62 мм и внешним диаметром 68÷70 мм. Магнитные элементы 12 и 13 выполнены в виде магнитных колец, например, из сплава Nd-Fe-B (неодим-железо-бор), выпускаемых промышленностью и реализуемых в интернет-магазине магнитов (см. например, сайт: magnit55.com) с размерами колец 12 и 13, указанными ниже в таблице.
Для обеспечения замкнутого магнитного зазора между кольцами 12 и 13 установлено кольцо 17 из алюминия.
Тепловой экран 15 выполнен в виде набора дисков из алюминиевой фольги, взятых в количестве, по крайней мере, 10 штук, а диэлектрические элементы 16 с шириной 15 мм вырезаны из кварцевой трубки вдоль ее оси. На тепловом экране 15 установлен отрезок кварцевой трубки 18 длиной 6÷10 см с внутренним диаметром 60÷62 мм и внешним диаметром 68÷70 мм, который защищает трубку 1 от осаждения на нее пленки распыляемого материала и одновременно служит подставкой для подложки 19, на которую осаждают тонкую пленку 20 этого материала.
Катодный электрод 2 выполнен в виде диска с толщиной 1÷4 мм из металла, взятого из ряда: серебро, медь, индий (In), олово (Sn), цинк (Zn), сплав In 90%+Sn 10%, сплав Zn 97%+Al 3%, сплав Zn 97%+In 3%. При использовании большей части металлов из этого ряда (за исключением серебра и меди) между катодным электродом 2 и диэлектрическими элементами 16 установлен угольный диск 21 с толщиной 1÷1,5 мм, имеющий по периметру бортик. Анодный электрод 3 выполнен в виде кольца из алюминия и расположен внутри трубки 18 под подложкой 19.
Съемные средства 5 и 6 содержат съемные крышки 22 и 23 и втулки 24 и 25. Съемная крышка 22 (или 23) вакуумно уплотнена ко втулке 24 (или 25) с помощью резинового кольца 26 и болтов 27. Втулки 24 и 25 вакуумно уплотнены к трубке 1 посредством резиновых колец 28, при этом уплотняющее усилие создается болтами 29 через прижимное кольцо 30 с бортиком.
В крышке 22 установлены вакуумно уплотненные к ней катодный электрический ввод 7 и отвод 9 для откачивания воздуха из трубки 1. При этом катодный ввод 7 электрически изолирован от крышки 22 и соединен электрически с катодным электродом 2 (или угольным диском 21) медным проводом 31, который проходит через отверстия в магнитопроводе 11 и тепловом экране 15, электрически изолирован от них с помощью кварцевой трубки 32 и на конце соединен с танталовой полосой 33, расположенной между катодным электродом 2 (или угольным диском 21) и диэлектрическими элементами 16. В крышке 23 установлены вакуумно уплотненные к ней анодный электрический ввод 8, электрически изолированный от крышки 23, и ввод 10 для поступления рабочего газа в трубку 1.
Держатель 4 трубки 1 выполнен в виде трех стержней 34, жестко соединенных со втулкой 24 и с пластиной 35 с помощью болтов и винтов, соответственно. Пластина 35 закреплена на столешнице стола посредством струбцины (не показана).
Газоразрядное устройство для демонстрации ионного распыления металла работает следующим образом. Газоразрядную трубку 1 откачивают форвакуумным насосом через отвод 9 до разряжения порядка 0,7 Па. Затем через ввод 10 для подачи рабочего газа напускают в трубку 1 рабочий газ, например аргон, или смесь рабочих газов (например, смесь аргона с кислородом) до давления порядка 1,5 Па. К катодному 7 и анодному 8 электрическим вводам прикладывают отрицательный и положительный потенциал, соответственно, от источника постоянного тока (не показан) с разностью потенциалов в интервале 300÷400 В. При этом на поверхности катодного электрода 2 (катода) возникает тлеющий разряд, положительные ионы которого бомбардируют катод 2. Магнитные элементы 12 и 13, выполненные в виде магнитных колец с зазором, создают над поверхностью катода 2 магнитное поле. Поэтому электроны, имитированные поверхностью катода 2, двигаются у его поверхности, где вектор электрического поля перпендикулярен вектору магнитной индукции, в холловском направлении по циклоидальным траекториям. В результате этого покинувшие катод 2 электроны, ускоряемые электрическим полем, оказываются над катодом 2 в магнитной ловушке, форма которой близка к тороидальной. Перемещаясь по сложным траекториям в области магнитной ловушки, ускоренные электроны совершают многократные ионизирующие столкновения с молекулами (атомами) рабочего газа. Поэтому над поверхностью катода 2 образуется светящаяся кольцеобразная (торообразная) зона плазмы. При этом положительные ионы, ускоренные в области темного катодного пространства, бомбардируют и распыляют материал катода 2 в зоне его поверхности, называемой зоной эрозии. Распыленные атомы материала катода 2 осаждаются в виде тонкой пленки 20 на подложке 19, а также частично рассеиваются молекулами газа и осаждаются на внутренних поверхностях устройства.
Локализация электронов в магнитной ловушке и существенное увеличение длины траектории электронов приводит к высокой плотности плазмы и, следовательно, к более высокой плотности ионного потока при относительно низком давлении рабочего газа. Более высокая плотность потока ионов, бомбардирующих катод 2, увеличивают скорость распыления его материала и, соответственно, скорость осаждения тонкой пленки.
Таким образом, наличие в предлагаемой полезной модели магнитной системы, состоящей из магнитопровода и кольцеобразных магнитных элементов с зазором между ними, теплового экрана на магнитной системе в виде набора дисков, сильно ослабляющего нагрев магнитной системы при отсутствии водяного охлаждения, и расположенных между катодом и тепловым экраном диэлектрических элементов из плавленого кварца, ограничивающих область тлеющего разряда площадью катода, обеспечивает демонстрацию не только возникновения и существования тлеющего разряда при разных значениях давления рабочего газа и приложенного напряжения, но и возможность получения в среде аргона тонких металлических пленок серебра, меди, индия (In), олова (Sn), цинка (Zn), сплава In 90%+Sn 10%, сплава Zn 97%+Al 3%. сплава Zn 97%+In 3% и других металлов, а также возможность получения тонких полупроводниковых пленок оксидов меди, индия, олова, и тонких пленок легированных оксидов этих металлов, когда ионное распыление выполняют в смеси аргона с кислородом. Эти факты расширяют эксплуатационные возможности предлагаемой полезной модели. Кроме этого, предлагаемая полезная модель обеспечивает быструю смену катодов, а также монтаж и демонтаж газоразрядного устройства, что повышает удобство использования полезной модели и ее наглядность в учебном процессе, позволяя студентам выполнять более качественно лабораторные, курсовые и дипломные работы, связанные с технологией интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. При этом предлагаемая полезная модель по своим эксплуатационным возможностям позволяет заменить в учебном процессе промышленную установку для ионного распыления металлов, имеющую высокую стоимость.