Схема установки катодного ионного напыления

1.

2.

Грове Уильям Роберт
(11 июля 1811 г. — 1 августа 1896 г.)
английский ученый, изобретатель гальванического элемента Грове.
Намереваясь стать адвокатом, Грове поступил в Оксфордский университет. Но вскоре он тяжело заболевает, и такой
долгий перерыв делает невозможным продолжение юридической карьеры. Тогда Грове увлекается научной деятельностью, и
приступает к изучению электричества. В 1839 г. ему удается сделать первое открытие – он изобретает гальванический элемент,
который спустя какое-то время назовут в его честь. В основе нового элемента были цинковый и платиновый электроды,
находящиеся в растворе из серной кислоты, отделенные друг от друга перегородкой из пористого материала.
В 1840—1847 гг. он работал в должности профессора экспериментальной физики в институте в Лондоне. В 1843 г была
опубликована, написанная им книга «О соотношении физических сил», в которой он говорил о таком явлении, как взаимная
превращаемость природных сил, теплоты, электричества и прочих. Книга заслужила признание научного сообщества, а
выдвинутые в ней идеи были разработаны и применены для выведения общих положений закона сохранения энергии.
В 1846 г. Грове стал первым, кто наглядно показал в рамках эксперимента электролитическую диссоциацию воды.
В 1847 г. за научные достижения и открытия Грове награжден медалью Лондонского королевского общества.
Статьи Грове об электричестве и токе периодически появлялись на страницах научных изданий. В 1850-х гг. им была высказана
идея о том, что накаленная электрическим током проволока, может быть использована, как способ освещения помещений. В
1852 г. произвел бомбардировку катода ионами.
С 1853 г. Грове начинает участвовать и в политике, пробует участвовать в выборах в Парламент.
В 1866 г. его выбирают президентом Британской ассоциации наук. Он произнес речь, в которой утверждал, что все
естественные процессы на Земле подвержены непрерывным постепенным изменениям.
В 1872 г. ему дарован дворянский титул, после чего он начинает судебную карьеру – его назначают на различные высокие
посты в судебной системе. Дослужившись до звания члена тайного совета, что является весьма достойным результатом,
Грове оставляет должности в 1887 г.

3.

Эффективность ионизации Аргона
Во-первых, чтобы ионизировать Аргон, электрон должен приобрести в
электрическом поле энергию большую, чем первый уровень ионизации
Аргона. Поэтому коэффициент ионизации Кионизации отличаться от
нуля начнет только после превышения Е1=15,76 эВ (см. график).
Однако с превышение энергии 100 эВ рост коэффициента ионизации
прекращается.
Во-вторых, русский физик Столетов А.Г. открыл эффект газового
усиления. Он определил, что существует зависимость, между
напряженностью электрического поля В/м и давлением газа Па, при
котором наиболее эффективно производится ионизация инертных
газов. Для Аргона эта величина составляет 175 Па·В/м. Если принять,
что в большинстве установок напряжение ионизации от 500В до 1000В,
при давлении от 2·10-2 Торр до 4·10-2 Торр, то можно посчитать
расстояние от катода до анода (мишенью - подложка).

4.

АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ СТОЛЕТОВ (1839-1896)
Выдающийся русский физик
Александр Григорьевич Столетов родился летом 1839 года в небогатой купеческой семье. Его отец –
Григорий Михайлович - был владельцем бакалейной лавки и мастерской по выделке кож в городе
Владимире. Его мать – Александра Васильевна – была образованной по тому времени женщиной, сама
обучала своих детей, до их поступления в гимназию.
Он был болезненным мальчиком. Уже в четыре года маленький Саша научился читать. В
дальнейшем его любовь к чтению превратилась в потребность к самостоятельному литературному
творчеству. В 1849 году Александр Столетов поступил во Владимирскую гимназию, а закончил ее в 1856 г.
Осенью того же года Александра Столетова зачислили на физико-математический факультет Московского
университета студентом с предоставлением государственной стипендии.
В 1860 г. Столетов с отличием закончил университет. Благодаря ходатайству руководства факультета талантливого молодого ученого оставили
при университете, иначе он обязан был после окончания университета отработать шесть лет "по учебной части Министерства народного
просвещения", так как учился за государственный счет. 16 октября 1861 года Столетов сдал магистерский экзамен. Но защиту диссертации
пришлось отложить: летом 1862 г. А. Г. Столетов отправился в заграничную командировку как наиболее достойный и многообещающий
кандидат.
За границей Столетов пробыл три года, упорно изучая физику в университетах Гейдельберга, Геттингена и Берлина. Кирхгоф называл его
самым талантливым своим учеником. За границей Столетов провел и свое первое научное исследование. Он установил, что диэлектрические
свойства среды не влияют на электромагнитное взаимодействие проводников электрического тока.
В конце 1865 г. Столетов вернулся в Россию, и вскоре получил место преподавателя математической физики и физической географии в
Московском университете. Он читал блестящие лекции студентам и работал над магистерской диссертацией, посвященной проблеме "общей
задачи электростатики" – тому, как распределяются заряды в проводниках в произвольном случае. В мае 1869 г. А. Г. Столетов блестяще
защитил магистерскую диссертацию и был утвержден в звании доцента.
В последующие годы усилия Столетова были направлены на создание собственной физической лаборатории при университете. В те
времена физики для проведения экспериментальных исследований уезжали за границу. В это время ученый создал также физический кружок.
В 1871 г. ученый начал работать над докторской диссертацией, посвященной изучению магнитных свойств железа. В то время электротехники
как науки еще не было. Вот почему очень важно было разработать теорию работы электрических машин, и, в частности, установить
закономерности в намагничивании железа и его сплавов. Для выполнения исследований Столетов снова уехал за границу в лабораторию
Кирхгофа (усилия по созданию лаборатории не увенчались успехом).

5.

Трудолюбие и талант ученого не пропали даром: в 1872 г. Столетов успешно защитил докторскую диссертацию "Исследование о функции намагничения
мягкого железа", а в следующем году он был утвержден в должности ординарного профессора Московского университета.
1872 год стал не только годом успешной защиты докторской диссертации, он был ознаменован также открытием физической лаборатории, на
организацию которой Столетов потратил столько сил и средств. В то время Александр Григорьевич вел также большую популяризаторскую работу в
Обществе любителей естествознания, читал публичные лекции в Политехническом музее, писал научно-популярные статьи.
После защиты докторской диссертации Столетов стал всемирно известным ученым. В 1874 г. его пригласили на торжества по поводу открытия
физической лаборатории при Кембриджском университете, а в 1881 г. он представлял российскую науку на I Всемирном конгрессе электриков в Париже. На
конгрессе по его предложению была утверждена единица электрического сопротивления – ом, а также эталон сопротивления.
В 1888 г. Столетов приступил к исследованию фотоэффекта, открытого за год до этого Герцем. Эти исследования, продолжавшиеся два года, принесли
ученому мировую известность. Исследования в области газового разряда, привели его к открытию эффекта газового усиления.
В 1893 г. трое академиков – Чебышев, Бредихин и Бекетов – рекомендовали Столетова на выдвижение в члены Российской академии наук. Но великий
князь Константин, президент Академии, не допустил кандидатуру свободолюбивого и честного Столетова до баллотировки. Очевидно сказалось и его не
знатное происхождение из купеческой семьи.
Несмотря на сочувствие друзей, А. Г. Столетов тяжело переживал неудачу. Да и университетское начальство все больше и больше начинало выказывать
недовольство его независимыми суждениями. В конце 1894 г. здоровье Столетова как будто восстановилось, и он отдался устройству физической секции на
IX съезде естествоиспытателей и врачей, превосходно организовав демонстративные заседания этой секции. В течение года Столетов чувствовал себя еще
довольно сносно, но с зимы 1895 г. он стал прихварывать и, наконец, скончался от воспаления легких.
Кроме занятия наукой Столетов интересовался литературой, искусством. Обширная эрудиция Столетова, его замечательный критический анализ и
красота изложения проявляются во всех произведениях, вышедших из-под пера Столетова, и производят чарующее действие на читателя. Прекрасны и по
содержанию, и по стилю все его популярные статьи и речи. Столетов состоял членом очень многих ученых обществ как русских, так и иностранных.
Столетов – это физик, благодаря открытиям которого, стало возможно телевидение. Это физик, внесший в науку вклад, по достоинству оцененный лишь в
ХХ в. (теоретическое объяснение законов фотоэффекта, экспериментально полученных Столетовым в конце 80-х гг. XIX в., было дано А. Эйнштейном в
1905 г., а смысл экспериментальных результатов исследований по ферромагнетизму, проведенных в 70-е гг., прояснился еще позже). С помощью
фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке. Кроме фотоэффекта, называемого внешним фотоэффектом,
разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в полупроводниках. Это явление используется в фоторезисторах-приборах, сопротивление
которых зависит от освещенности. Полупроводниковые фотоэлементы применяются для измерения интенсивности света, а также для целей автоматики,
сигнализации и телеуправления. Это кремневые солнечные батареи используются для обеспечения энергией искусственных спутников земли и космических
кораблей, а сегодня и солнечная энергетика получила свое развитие.

6.

Эффективность распыления материала мишени
Рассмотрим на сколько эффективно энергия положительно заряженного
иона инертного газа позволяет выбивать атомы мишени на примере ионов
Аргона.
Критерием
эффективности
выбивания
является
коэффициент
распыления, который определяет сколько атомов распыляемого вещества
приходится на один ион аргона с энергией Е в электроновольтах. Энергию
положительно заряженный ион Аргона приобретает под действием
отрицательного напряжения на катоде, которым является мишень.
Распыление материала мишени начинается, когда энергия иона аргона,
начинает превышать пороговую, которая примерно равна двум энергиям
сублимации материала мишени (см. рисунок).
Далее с ростом энергии у ионов Аргона, увеличивается и коэффициент
распыления. Но начиная с некоторого максимального значения Еmax,
эффективность начинает падать. Энергия иона становится настолько
большой,
что вместо
выбивания
материала
мишени упругим
столкновением, ион Аргона начинает «заколачивать» атомы мишени в
глубину самой мишени. Вместо упругой передачи энергии без нагрева,
начинается нагрев мишени и не эффективная потеря энергии.
Для расчета Красп. в диапазоне соотношения атомных номеров (Z) иона и материала мишени 0,2 ≤ Z0/Zm ≤ 5 (для Ar
Z0=18) используем формулу:
Красп.= 0,06 · М½ · ( Е0½ – Епор.½) / Е0 , где М = 2·М0 / [ (Mm / M0)⅔ + (M0 / Mm)⅔ ],
В формулах Е0 , М0 энергия и а.е.м. иона, а Епор. , Mm пороговая энергия и а.е.м. материала мишени.
Для Аргона Ar+ с энергией Е0=600эВ, коэффициент распыления различных материалов мишени приводится в таблице
Al
Si
Fe
Co
Ni
Cn
Ge
W
Au
Al2O3
SiO2
GaAs
SiC
SnO2
0,83
0,54
0,97
0,99
1,34
2,0
0,82
0,32
1,18
0,18
1,34
0,9
1,8
0,96

7.

Максимальная энергия, передаваемая ионом атому материала мишени Еmax
Еmax = E0 · 4·M0 · Mm / (M0 + Mm)²
Данную формулу легко получить, если считать столкновение атомов массой (а.е.м.) M1 и M2 упругим и записать систему
уравнений исходя из закона сохранения энергии и закона сохранения импульса.
Формула Лихарда
Формула Лихарда определяет угол, под которым ион наиболее эффективно бомбардирует (выбивает) атом мишени.
αmax = 0,5·π – [(5·π·α²·N⅔·Z0·Zm·ER) / [E0·(Z0⅔ + Zm⅔)]]˄(½), где
N – атомная плотность мишени (число атомов вещества в единице объема);
Z0 и Zm – атомные номера иона и мишени;
ER – Ридбергер, энергия связи иона в атоме водорода (13,5 эВ); α – приведенный радиус, который находим из выражения:
α = 0,085· α0 · (Z0⅔ + Zm⅔)˄(-½) , где α0 – первый боровский радиус водорода (0,529·10¯¹º м)
Рассчитаем αmax для иона Аргона (Ar) и мишени из Меди (Cu). Для Меди ρ(Cu) = 8,9·10Λ6 [г/м³]; M(Cu) = 63,55 а.е.м.
(г/моль);
N [атом/ м³] = NA· ρ(Cu)/ M(Cu) = 0,0843·10³º[атом/ м³], где NA=6,022·1029[атом/ моль] – число Авагадро.
Для Аргона Z0 = 18, а для Меди Zm = 29. Соответственно получим α =1,113·10 ¯¹²м.
Для
αmax получим αmax = 0,5·π – (0,1617 / E0)˄(½) , и можно построить график зависимости αmax от E0.
Энергия Аргона E0 эВ
10
100
1000
2000
αmax радиан
αmax градусы
1,444
1,531
1,558
1,562
82,71
87,70
89,27
89,48