Распыление твёрдых тел - разрушение твёрдых тел под действием бомбардировки их поверхности заряженными и нейтральными частицами (атомами, ионами, нейтронами, электронами и др.) и фотонами. Впервые наблюдалось как разрушение катода в газовом разряде (отсюда термин "катодное распыление"). Подукты распыления твёрдых тел - атомы, положит. и отрицат. ионы, а также нейтральные и ионизованные атомные и молекулярные комплексы (кластеры). Скорость распыления твёрдых тел характеризуют полным коэф. К, равным ср. числу всех частиц, испущенных мишенью, приходящихся на одну бомбардирующую частицу, или парциальными коэффициентами. Кроме К (интегральная характеристика) процесс распыления твёрдых тел определяется также дифференц. характеристиками: энергетич. распределением распылённых частиц, их угловым p зарядовым распределениями, распределением по состояниям возбуждения, по массам и др.
Различают неск. видов распыления твёрдых тел, отличающихся механизмом
процесса распыления твёрдых тел: столкновительное (физ., или ионное распыление твёрдых тел), к-рое доминирует в той
области энергий бомбардирующих частиц, где преобладают упругие процессы (ядерное
торможение); распыление твёрдых тел за счёт неупругих процессов - в результате возбуждения и ионизации
атомов твёрдого тела; химическое распыление твёрдых тел, к-рое возникает, если падающие частицы вступают
в реакцию с атомами твёрдого тела, в результате чего на поверхности образуются
летучие соединения. Возможны сочетания неск. механизмов распыления твёрдых тел.
Столкновительное распыление имеет место при передаче
кинетич. энергии бомбардирующих частиц атомам мишени. Вследствие этого нек-рые
атомы приобретают энергию, превышающую энергию связи Us поверхностных
атомов и покидают мишень. При энергиях
бомбардирующих
частиц ниже нек-рого порога
отсутствует
(К = 0). Величина
при
нормальном падения ионов на мишень (угол падения q = 0) изменяется от 4Us,
если массы ионов (Ми)и атомов мишени (Мм)
близки (Ми ! Мм), до 50 Us,
если Ми
Мм.
По мере увеличения 
коэф. К возрастает, проходит через
максимум, положение к-рого зависит от комбинации частица - мишень, и убывает
(рис. 1).
Рис. 1. Зависимость коэффициента распыления Си
от энергии бомбардирующих ионов Кr+.
Типичные значения К - в максимуме от 10-2
ат/ион (лёгкие ионы) до (1-5)·10 ат/ион (тяжёлые ионы). Зависимость К от
атомных номеров как бомбардирующих ионов Zи, так и
атомов материала мишени Zм является немонотонной. В частности, зависимость
от Zм качественно такая же, как и зависимость обратной величины энергии
сублимации
распыляемого
материала (рис. 2). При столкновительном распылении твёрдых тел под действием нейтронов К ~ 10-4-10-5
ат/ион. При увеличении угла q падения частиц на мишень К для поликристаллич.
и аморфных мишеней растёт, проходит через максимум (q = = 60-80°) и
затем убывает. Для монокристаллич. мишеней на фоне возрастания К с q
наблюдаются резкие его уменьшения, когда направление бомбардировки становится
параллельным либо осям, либо плоскостям мишени с низкими кристаллографич. индексами
(рис. 3). Зависимость К от температуры Т мишени обычно является слабой,
если только Т не близка к Tпл материала мишени либо
если в исследуемом температурном интервале мишень не претерпевает фазовых переходов.
В последнем случае К может резко изменяться в узком температурном интервале.
Коэф. К может зависеть также и от флюенса облучения и от состояния
облучаемой поверхности, в частности от размеров зёрен, текстуры поверхности,
шероховатости.
Рис. 2. Зависимость К от атомного номера
иона Z,,(a), от атомного номера Zм атома мишени
(б) и зависимость обратной величины энергии сублимации 
от Zм(в).
Рис. 3. Зависимость К от угла падения
q ионов на мишень.
Угл. распределение вылетающих частиц в случае
аморфных и по-ликристаллич. мишеней широкое. Если энергия бомбардирующих частиц
не слишком
мала и углы падения q не слишком велики, то распределение слабо зависит
от сорта частиц, 
,
q, и в первом приближении число распылённых частиц N ~
cos f (f - угол вылета относительно нормали к поверхности мишени).
При высоких энергиях распределение частиц более узкое, при низких - более широкое,
чем N ~ cos f. При увеличении
q максимум распределения сдвигается в направлении пучка бомбардирующих
ионов. В случае монокри-сталлич. мишеней наблюдается преимуществ. выход распылённого
вещества вдоль наиб. плотно упакованных направлений мишени (пятна Венера).
Энергетич. распределение распылённых частиц
широкое. Среди распылённых частиц имеются частицы как с тепловыми энергиями
, так и с энергиями
. Максимум распределения
наблюдается при 
~
1-10 эВ; его положение зависит от энергии сублимации 
атомов мишени. При 
(рис. 4). Ср. энергия
распылённых частиц тем меньше, чем больше К (для монокристаллич. мишеней
зависит также
от кристаллографич. направления).
При бомбардировке молекулярными ионами, а также
при бомбардировке тяжёлых мишеней тяжёлыми ионами могут наблюдаться нелинейные
эффекты. В частности, коэффициент распыления двухатомными молекулярными ионами может превышать
2К для атомарных ионов той же скорости, а
энергетич. распределение распылённых частиц может обогащаться частицами с энергиями
~
kT.
Рис. 4. Энергетическое распределение распылённых
частиц.
В процессе распыления твёрдых тел могут происходить изменения состава,
структуры и топографии поверхности. Под действием тяжёлых ионов образуются конусы
и пирамиды размером порядка мкм, гребни, канавки и ямки. При облучении лёгкими
ионами в приповерхностном слое могут появляться пузырьки газа, что приводит
к вспучиванию поверхности (блистерингу), шелушению и отслаиванию.
Теории столкновительного распыления твёрдых тел (напр., теория Зигмунда)
основаны на рассмотрении каскадов упругих столкновений, вызванных передачей
кинетич. энергии от бомбардирующей частицы атомам мишени. Различают 3 режима
столкновительного распыления твёрдых тел. Режим прямого выбивания реализуется вблизи порога 
при бомбардировке лёгкими ионами и при скользящем
падении; протяжённость каскадов невелика, значит. вклад дают первично выбитые
атомы (рис. 5). Режим линейных каскадов (реализуется для всех ионов, кроме самых
тяжёлых - с энергиями 
от
1 до неск. десятков кэВ и для нейтронов) характеризуется
малой плотностью распределения выбитых атомов, так что преобладают столкновения
движущихся атомов с неподвижными, а столкновения движущихся атомов
между собой происходят редко. Режим нелинейных каскадов (тепловых пиков) реализуется
для ионов с большими массами и молекулярных ионов. Плотность распределения выбитых
атомов столь высока, что большинство атомов внутри нек-рого объёма находится
в движении.
Рис. 5. Режимы столкновителыюго распыления.
Каскадные теории для распыления твёрдых тел с неупорядоченным
расположением атомов в режиме линейных каскадов, основанные на ур-нии Больцмана,
приводят к соотношениям
Распыление твёрдых тел за счёт упругих столкновений наиб, существенно
в металлах и полупроводниках.
Электронный механизм распыления реализуется,
если кинетич. энергия иона (электрона, фотона) расходуется на изменение внутрен.
энергии атомов мишени. Наблюдается для диэлектриков (щёлочно-галоидные соединения,
органич. соединения, отвердевшие газы, лёд, большие биомолекулы), а также для
ряда полупроводниковых соединений и мелкодисперсных металлов. Коэф. К могут
достигать значений ~103-104 ат/ион. Энергетич. зависимость
имеет
максимум в области максимума неупругих уд.
потерь энергии (электронное торможение). В зависимости от сочетания ион (электрон)
- мишень наблюдается либо прямая пропорциональная, либо более сильная - вплоть
до квадратичной - зависимость К от
Величина
К не зависит от Т вплоть до определ. пороговой температуры, после
чего наблюдается рост К при приближении к температуре, при к-рой происходит
либо сублимация мишени, либо разрыв молекулярных связей. Энергетич. распределения
распылённых частиц значительно более узкие, максимум наблюдается при энергиях,
значительно более низких, чем в случае столкновительного распыления твёрдых тел.
При распылении твёрдых тел под действием низкоэнергетич. электронов
и фотонов пороговая энергия 
того же порядка, что и ширина запрещённой
зоны 
мишени
и энергия экситонных переходов. Распыление твёрдых тел может
быть эффективным лишь для к--л. одного элемента соединения, напр, галогена в
щёлочно-галоидном соединении. При облучении фотонами число распылённых частиц
N растёт с ростом интенсивности облучения. Угл. распределение распылённого
вещества может различаться для разных компонентов. Так, для щёлочно-га-лоидных
соединений наблюдается преимущественное распыление твёрдых тел галогенов вдоль низкоиндексных осей
кристалла, тогда как распределение атомов щелочного металла N ~ cos
f. Большая доля распылённых частиц обладает тепловыми энергиями, но есть
и сверхтепловая компонента.
Единой теории преобразования энергии возбуждённого
или ионизов. атома твёрдого тела в кинетич. энергию движения атомов, приводящего
к распылению твёрдых тел, пока нет. Существует лишь ряд моделей (модель теплового пика, модель кулоновского
взрыва, экситонная модель и др.), объясняющих те или иные закономерности сочетания
бомбардирующих частиц и типа распыляемых материалов.
Химическое распыление. При химического распыления твёрдых тел между бомбардирующими
частицами и атомами мишени на поверхности в
результате хим. реакций образуются молекулы с низкой энергией связи, к-рые могут
десорбироваться при температуре мишени. Химическое распыление твёрдых тел наблюдается в нек-ром температурном
интервале. В этом интервале зависимость К(Т)обычно проходит через максимум;
чётко выраженной пороговой энергии нет. Коэф. К зависит от конкретного
сочетания химически активный ион - мишень. Энергетич. распределение молекул
в большой степени определяется температурой поверхности мишени.
Распыление твёрдых тел используется для получения атомно-чистых поверхностей, тонких плёнок, анализа поверхностей, при ионно-лучевой и ионно-плазменной обработке поверхностей. Распыление твёрдых тел лежит в основе ионно-плазменных способов травления материалов для целей микроэлектроники, играет важную роль в космич. материаловедении, в акустике, в технике ядерных реакторов (Распыление твёрдых тел под действием нейтронов) и термоядерных устройств, при консервации радиоакт. отходов и др.
Е. С. Машкова, В. А. Молчанов
|
|
 |
