Формирование ионных потоков

На формирование ионных потоков к подложке оказывают влияние величина прикладываемого потенциала и форма самой подложки. Это следует из уравнения движения ионов, которое имеет вид:

, (2.19)

где — масса иона; — заряд иона; — напряженность электрического поля.

Величина находится из решения уравнения Пуасона:

, (2.20)

где — плотность ионов плазмы; — диэлектрическая постоянная.

Из уравнений (2.19) и (2.20) следует, что если подложка представляет собой бесконечно плоскую поверхность, то только в этом случае поток ионов к ней будет однородным, т. е. концентрация ионов в местах, равноудаленных от поверхности, будет одинаковой. Если же на поверхности подложки имеются выступы и углубления различной формы, то это приводит к искривлению траектории движения ионов и соответственно к тому, что количество ионов, попадающих на подложку в единицу времени, неодинаково в разных ее местах. Как следствие, толщина наносимого покрытия будет разной. Из уравнений (2.19). и (2.20) видно, что с увеличением потенциала неоднородность плотности ионов в плазме повышается.

Область возникающих неоднородностей ограничивается в основном толщиной примыкающего к ней слоя Дебая, т. е. слоя, в котором потенциал, прилагаемый к подложке, эффективно воздействует на ионы. Толщину слоя Дебая можно найти из уравнения (2.20). Однако это уравнение имеет аналитическое решение для немногих случаев. В частности, для бесконечной и идеально гладкой поверхности имеем:

. (2.21)

Учитывая, что скорости ионов различные, толщину слоя Дебая можно рассчитать по другому уравнению. Потенциальная энергия иона в электрическом поле равна .Согласно формуле Больцмана, ионы в единице объема в слое Дебая распределяются по энергиям следующим образом:

. (2.22)

где — плотность ионов вдали от слоя Дебая.

Подставляя (2.22) в (2.20), получаем уравнение:

. (2.23)

Решение уравнения (2.23) для бесконечной и идеально гладкой поверхности может быть представлено следующей формулой:

, (2.24)

где , — постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий; — расстояние от поверхности до искомой точки.

Таким образом, видно, что решение уравнения (2.20) позволяет найти зависимость с учетом изменения плотности ионов в слое Дебая и тем самым определить все основные особенности формирования ионных потоков. Поэтому при решении конкретных задач необходимо учитывать соотношение величины , размеры и форму подложки. Если длина и ширина плоского изделия на подложке значительно превышает , тогда его можно рассматривать как бесконечное, плоское, идеально гладкое тело и краевые эффекты не будут сказываться на толщине и структуре наносимого покрытия. В обратном случае краевые эффекты приводят к неоднородности и разнотолщинности наносимого покрытия.

Как следует из уравнения (2.21), толщина слоя Дебая зависит от плотности ионов . С увеличением плотности уменьшается, а следовательно, уменьшается размер изделий, поверхности которых можно рассматривать как бесконечные. В случае использования вакуумного электродугового источника ионов плотность повышается с увеличением разрядного тока вакуумной дуги, а также при напуске (до некоторых пределов) в вакуумную систему инертных (гелий, аргон) или реакционных (азот, кислород, ацетилен) газов, которые ионизируются. Это обстоятельство необходимо учитывать при оптимизации технологических параметров процесса нанесения покрытий.

Следовательно, можно сделать вывод, что формирование ионных потоков, идущих к подложке, происходит в основном в слое Дебая, толщина которого зависит от плотности ионов их зарядов, масс и энергии. Развитая поверхность подложки, наличие на ней неровностей вызывают разнотолщинность наносимого покрытия, формирование в нем различных структур. Для снижения разнотолщинности покрытий необходимо стремиться к уменьшению толщины слоя Дебая, что достигается уменьшением прикладываемого к подложке потенциалалибо увеличением плотности ионов . Однако такое изменение указанных параметров может приводить к ухудшению эксплуатационных свойств покрытий, что требует определения их оптимального соотношения.