ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАСПЫЛЕНИЯ МИШЕНИ ИОНАМИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

Цель работы: ознакомление с механизмом ионного распыления и расчет коэффициента распыления мишени ионами инертных газов.

Основным механизмом ионного распыления является процесс передачи ускоренным ионом импульса атому мишени. Если переданная атому энергия превышает пороговую энергию смещения, то атом может перемещаться или непосредственно в направлении к поверхности мишени, или в результате рядя вторичных столкновений. При нормальном падении иона на мишень распыление может происходить только при последовательных вторичных столкновениях первично смещенных атомов.

При попадании частицы на поверхность мишени между ними происходят взаимодействия различного типа:

- эмиссия поверхностных ионизированных ионов.

Протекание указанных реакций определяется энергией химических связей между атомами обрабатываемой поверхности и падающими частицами, поверхностными электрическими полями, возникающими вследствие асимметрии кристаллической решетки на поверхности, поляризацией падающих частиц и постоянных решетки и температурой подложки.

Падающий ион при определенных условиях может быть отражен обратно атомом или группой атомов бомбардируемого образца, что обычно приводит к отклонению иона от первоначального направления своего движения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. При этом обмен энергией может быть как упругим, так и неупругим, что определяется типом взаимодействующих частиц и энергией иона (рис. 8.1).

При атомной дислокации энергия иона должна быть достаточной для смещения поверхностного атома из положения со слабой связью с кристаллической структурой образца в положение, где эта связь значительно сильнее. Ионы с более высокими энергиями способны вызывать и внутренние дислокации в глубине образца.

При ионной имплантации ионы проникают в глубь кристаллической решетки и остаются там, полностью израсходовав свою энергию. Химическое распыление происходит в результате взаимодействия ионов с поверхностными атомами, сопровождающегося образованием на поверхности новых химических соединений. Вследствие этого самый верхний слой атомов может оказаться в газообразном состоянии и испариться.

В результате процесса Оже-нейтрализации бомбардирующие положительные ноны могут приобретать на поверхности электроны и отражаться от нее уже в виде нейтральных атомов. При ионной бомбардировке металлических поверхностей в определенных условиях возможно возникновение вторичной электронной эмиссии. Если поверхностные атомы возбуждаются до ионизированных состояний, способных покинуть образец, то имеет место вторичная ионная эмиссия.

При анализе процессов передачи энергии от иона твердому телу различают два основных механизма потерь – это соударения с электронами и соударения с ядрами. Первый механизм заключается в том, что взаимодействие ионов с электронами кристаллической решетки сопровождается возбуждением и ионизацией атомов кристалла. Поскольку плотность электронов в веществе высока, а подобные столкновения многочисленны, то этот процесс можно считать непрерывным.

В рамках второго механизма взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер первичного иона и атомами мишени. Частота таких столкновений ниже, поэтому их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц. Ионы высоких энергий хорошо описываются резерфордовским рассеянием, средних энергий – экранированным кулоновским рассеянием, и наиболее сложными считаются взаимодействия при малых энергиях. Кроме перечисленных механизмов вклад в энергетические потери вносит обмен зарядами между движущимся ионом и атомом мишени. Этот процесс наиболее эффективен, когда относительная скорость иона сравнима с боровской скоростью электрона.

Таким образом, полные потери энергии dW i/ dz можно представить в виде суммы трех составляющих: ядерной, электронной и обменной. При малых энергиях ионов преобладает их взаимодействие с ядрами. При высоких энергиях – более существенными становятся уже столкновения с электронами. Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше А [кэВ], где А – атомная масса первичного иона. В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать примерно до 10 % от полных потерь.

Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию. При упругих соударениях происходит перераспределение кинетической энергии между сталкивающимися частицами. Рассеивающий атом не только теряет свою энергию, но и меняет направление своего движения. Получающий энергию атом вещества способен покинуть свою позицию и привести к смещению атомов кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному распылению. Полные потери энергии равны сумме потерь при упругих и неупругих столкновениях.

Энергетический спектр ионов с начальной энергией W 0, рассеянных твердотельной мишенью, имеет широкий низкоэнергетический максимум в интервале от 10 до 30 эВ, соответствующий испусканию нейтральных атомов (распыленные атомы), и высокоэнергетический – расположенный вблизи энергии первичного иона W i0(упругорассеянные ионы) (см. рис. 8.1).

Передача энергии от иона атомам вещества определяется потенциалом взаимодействия, при этом не существует единой формулы U (r) для всех расстояний. Наиболее часто в расчетах используют выражение для потенциала взаимодействия, полученное Фирсовым на основе модели атома
Томаса-Ферми, в котором учтена экранировка сил взаимодействия атомными электронами. При r < 10–8см оно имеет вид

где Ziи Za– атомные номера бомбардирующего иона и атома кристаллической решетки мишени;

– радиус экранирования по Фирсову (а 0= 0.529 Å – боровский радиус).

Хорошую приближенную формулу для энергетических потерь получают, используя для потенциалов обратную квадратичную аппроксимацию:

где m iи m a– массы первичного иона и атома кристаллической решетки; N – плотность атомов, число частиц в кубическом нанометре.

Расчеты по этой формуле дают для большинства сочетаний «ион–атом мишени» коэффициент энергетических потерь в диапазоне 100…1000 эВ/нм.

Энергия иона после рассеяния на заданный угол Θ в любой известной системе определяется законами сохранения энергии и импульса:

Отсюда получается, что значение энергии может изменяться от нуля, при столкновении под очень малым углом, до максимального, которое передается ионом атому мишени при одиночном соударении:

Длина пробега иона в мишени уменьшается с увеличением атомного номера Z или плотности N:

Если взаимодействующие с поверхностью образца ионы обладают такой энергией, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, то происходит физическое распыление поверхности. Коэффициент распыления S расв этом случае определяется числом атомов (в основном нейтральных), выбиваемых с поверхности одним падающим ионом.

При малых энергиях существует порог возникновения распыления, выше которого коэффициент распыления сначала возрастает, достигая своего максимума, но при очень высоких энергиях снова падает, поскольку в этом случае энергия иона выделяется настолько глубоко в твердом теле, что получивший эту энергию ион не способен выйти на поверхность.

В целом теория распыления основана на механизмах случайных столкновений, уравнении Больцмана и общей теории переноса. Каскад столкновений возникает, когда энергия первичного иона достаточно велика для того, чтобы он мог передать энергию, превышающую энергию смещения атома кристаллической решетки. Распыление появляется в том случае, если участвующие в каскаде атомы пересекают поверхность с энергией, превышающей поверхностную энергию связи (W св).

Для энергий до 1 кэВ коэффициент распыления может быть определен следующим выражением:

где m iи m a– массы бомбардирующего иона и атома мишени; b – безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения m i/ m a.

Для энергий в диапазоне нескольких килоэлектрон-вольт и средних и больших масс ионов

где ε0– диэлектрическая проницаемость вакуума; а – характерный радиус экранирующего электронного облака по модели Томаса–Ферми (параметр экранирования Линдхарда); Sn (ε) – приведенное ядерное тормозное сечение ионов; ε – приведенная энергия ионов.

Коэффициент распыления зависит не только от энергии иона и его массы, но и от угла его падения на поверхность соударения α. Вероятность же смещения атома зависит только от расстояния этого атома до точки попадания иона в мишень. В подобной модели предполагается, что коэффициент распыления пропорционален площади зоны, определяемой пересечением поверхности мишени с объемом, содержащим каскад столкновений, и при низких энергиях для коэффициента распыления справедливо следующее приближенное равенство:

При столкновении с поверхностью осаждающиеся частицы теряют за какой-то промежуток времени свою избыточную тепловую энергию и переходят в адсорбированное состояние. При этом они обладают достаточно большой диффузионной подвижностью на поверхности подложки, чем в значительной мере и определяется дальнейший процесс образования конденсата.

Максимальные коэффициенты распыления имеют вещества, состоящие из элементов побочной подгруппы первой группы периодической системы: медь, серебро, золото. Их объединяет то обстоятельство, что они имеют полностью заполненную d -оболочку. Можно считать, что степень заполненности d- оболочки атома электронами определяет его склонность к распылению. Этим же фактором определяется энергия связи атомов в веществе. Коэффициент распыления обратно пропорционален W св.

1. Ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2. Получить вариант задания у преподавателя. Для расчета коэффициента распыления мишени использовать данные приведенные в табл. 8.1. и 8.2

3. Рассчитать и построить зависимости коэффициента распыления мишени ионами инертных газов.

В расчетах использовать следующие выражения

Массы иона и атома определяются выражением

3. Расчетные формулы (с пояснением всех входящих величин).

4. Расчетные зависимости коэффициента распыления мишени.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: