Исследование процесса распыления титана однозарядными

УДК 533.9(06) Физика плазмы
О.К. КУРБАТОВ
ФГУП "НИИВТ им. С.А. Векшинского", Москва
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПЫЛЕНИЯ ТИТАНА
ОДНОЗАРЯДНЫМИ ИОНАМИ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ
С ЭНЕРГИЕЙ ОТ 0,5 ДО 10 кэВ
Экспериментально определены коэффициенты распыления титана (S) при
ионной бомбардировке с энергией от 0,5 до 10 кэВ. Так, например, при энергии
Еi=5 keV получены следующие значения: S(O2+)=0,55 ат/ион, S(N2+)=0,75 ат/ион и
S(Ar+)=1,6 ат/ион. Коэффициенты распыления определялись весовым методом по
убыли массы титановой мишени под действием ионных пучков в сверхвысоком
вакууме (~5·10-7Па).
Большой интерес для понимания механизма откачки остаточных газов
магниторазрядными насосами представляет процесс распыления титановых катодов под действием ионной бомбардировки.
Для расчета величины быстроты действия насоса необходимо знать
численные значения коэффициентов распыления титана положительными
газовыми ионами, поскольку откачивающее действие магниторазрядных
насосов основано на поглощении газов пленками титана, образующимися
на поверхностях электродов в результате ионной бомбардировки катодов.
В сверхвысоковакуумном экспериментальном и технологическом оборудовании с магниторазрядными насосами чаще всего основным откачиваемым газом является воздух, состоящий, как известно, в основном из
азота, кислорода и аргона.
Кроме того, обычно значения быстроты действия насосов в технических документах указываются также по азоту.
Поэтому в данной работе сообщается о результатах исследований по
экспериментальному определению коэффициентов распыления Ti положительными ионами N2+, O2+, Ar+ с энергией до 10 кэВ, поскольку максимальная энергия ионов, бомбардирующих катоды в магниторазрядной
ячейке в сверхвысоком вакууме, не превышает 7 кэВ.
Определение коэффициентов распыления титана проводилось посредством измерений уменьшения массы титановой мишени по действием
ионной бомбардировки в сверхвысоком вакууме весовым методом. Для
измерения убыли массы мишени были сконструированы и изготовлены
специальные автоматические вакуумные весы (микровесы).
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 4
111
УДК 533.9(06) Физика плазмы
Экспериментальная установка состояла из двух рабочих камер: высоковакуумной камеры, в которой на микровесах подвешивалась плоская
титановая мишень, и вспомогательной камеры, в которой помещался ионный источник типа Пеннинга с электронными линзами.
Высоковакуумная камера откачивалась до давления 110-8 Па
(~1·10-10 мм. рт. ст.) сверхвысоковакуумным сорбционным титановым
агрегатом АВТО-20М (азотитом) с быстротой действия по азоту
10000 л/с.
Коэффициент распыления титана получаем в виде:
M
,
S  2,01  10 9
I i  t
где S в ат/ион, М - в г, Ii – в мкА, t – в с.
Получены зависимости коэффициентов распыления титана под действием ионов азота, кислорода и аргона от энергии ионов Еi в диапазоне
от 0,5 до 10 кэВ.
Из этих зависимостей видно, что распыление титана ионами аргона
гораздо эффективнее, чем ионами азота и кислорода.
Это обстоятельство связано с тем, что, во-первых, ионы азота и кислорода распыляют титан с примесью нитридов и окислов (последние образуются в результате взаимодействия с решеткой титана внедрившихся в
нее атомов азота и кислорода) и, во-вторых, из-за различия в массе ионов.
Следует заметить, что отношение коэффициентов распыления титана
ионами азота и кислорода при энергии 3,5 кэВ (средняя энергия ионов в
магниторазрядных насосах) равно примерно отношению значений быстроты действия магниторазрядных насосов по азоту и кислороду и составляет 1,5.
В заключение можно сделать следующие выводы:
1) экспериментально получены отсутствующие в литературе значения
коэффициентов распыления Ti ионами N2+, O2+, Ar+ в диапазоне энергий
от 0,5 до 10 кэВ. Эти данные необходимы для расчета магниторазрядных
насосов;
2) характер зависимостей S=f(Ei) является типичным для распыления
твердых тел: по мере повышения энергии ионов значения коэффициента
распыления S плавно увеличиваются;
3) различия коэффициентов распыления Ti по разным газам объясняются различными соотношениями масс, бомбардирующих ионов и Ti , а
также энергиями связи взаимодействующих пар газ-титан и их химических соединений.
112
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 4