к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Распыление твёрдых тел

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 энергиях4027-9.jpgбомбардирующих частиц ниже нек-рого порога4027-10.jpgотсутствует (К = 0). Величина4027-11.jpgпри 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 Ми4027-12.jpgМм.

По мере увеличения 4027-13.jpg коэф. К возрастает, проходит через максимум, положение к-рого зависит от комбинации частица - мишень, и убывает (рис. 1).

4027-14.jpg

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 сублимации4027-15.jpgраспыляемого 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.

4027-16.jpg 4027-17.jpg

Рис. 2. Зависимость К от атомного номера иона Z,,(a), от атомного номера Zм атома мишени (б) и зависимость обратной величины энергии сублимации 4027-18.jpg от Zм(в).

4027-19.jpg

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 4027-20.jpg не слишком мала и углы падения q не слишком велики, то распределение слабо зависит от сорта частиц, 4027-21.jpg, 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 частиц4027-22.jpg широкое. Среди распылённых частиц имеются частицы как с тепловыми энергиями 4027-23.jpg, так и с энергиями 4027-24.jpg. Максимум распределения наблюдается при 4027-25.jpg~ 1-10 эВ; его положение зависит от энергии сублимации 4027-26.jpg атомов мишени. При 4027-27.jpg 4027-28.jpg (рис. 4). Ср. энергия4027-29.jpg распылённых частиц тем меньше, чем больше К (для монокристаллич. мишеней 4027-30.jpg 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 для атомарных ионов той же скорости, а энергетич. распределение распылённых частиц может обогащаться частицами с энергиями4027-32.jpg~ kT.

Рис. 4. Энергетическое распределение распылённых частиц.

4027-31.jpg


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 4027-33.jpg 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 4027-34.jpg 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.

4027-35.jpg

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

4027-36.jpg

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. зависимость4027-37.jpgимеет 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 от4027-38.jpgВеличина 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 4027-39.jpg того же порядка, что и ширина запрещённой зоны 4027-40.jpg 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.

Литература по распылению твёрдых тел

  1. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой, под ред. Р. Бериша, пер. с англ., в. 1-2, М., 1984-86;
  2. Плазменная технология в производстве СБИС, под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна, пер. с англ., М., 1987;
  3. Sputtering by particle bombardment III, ed. by R. Behrisch, K. W. Wittmack, Springer- Verl., 1991;
  4. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел. Сб. ст., пер. с англ., М., 1989;
  5. Фальконе Д., Теория распыления, "УФН", 1992, т. 162, № 1, с. 71.

Е. С. Машкова, В. А. Молчанов

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution