11 Эрозия поверхности под действием пучков заряженных частиц

11. Эрозия поверхности под действием пучков заряженных частиц и потоков плазмы (часть 1) 1. 2. 3. 4. Понятие эрозии поверхности. Распыление. Испарение. Блистеринг и флекинг 1

1. ● Понятие эрозии поверхности Эрозия поверхности – явления, связанные с удалением вещества с поверхности твердого тела. ● Явления, приводящие к эрозии поверхности под действием пучков заряженных частиц и потоков плазмы: распыление, испарение, блистеринг и флекинг, десорбция, образование летучих соединений, др. 2

2. Распыление 2. 1. Определение распыления Распылением твердых тел называют выбивание поверхностных атомов (реже молекулярных частиц) под действием бомбардировки поверхности: - атомами, - ионами, - нейтронами, - электронами, - фотонами. 3

2. Распыление ● Не всякое бомбардировке распылению. разрушение поверхности при частицами следует относить к 4 критерия Питера Зигмунда, по которым тот или иной процесс разрушения поверхности следует отнести распылению: к 1. Распыление – это некий класс процессов разрушения поверхности твердых тел, вызываемого (внешней или внутренней) бомбардировкой частицами. 2. Распыление можно наблюдать при предельно малых потоках падающих частиц. 3. Распыление можно наблюдать при предельно малых дозах облучения. 4. Распыление можно наблюдать на мишенях как однородного, так и неоднородного состава. 4

2. Распыление В зависимости от механизма протекания различают: - столкновительное распыление, т. е. ● взаимодействия бомбардирующих частиц с ядрами мишени (называемое также физическим или ионным), - распыление вследствие электронных процессов, т. е. взаимодействия бомбардирующих частиц с электронной подсистемой твердого тела (электронное распыление), - химическое распыление. 5

2. Распыление • Столкновительное (ионное) распыление связано с передачей кинетической энергии от падающей частицы атомам (ядрам атомов) твердого тела в результате упругих столкновений. Столкновительное распыление является доминирующим в той области энергий бомбардирующих частиц, где преобладают упругие потери энергии (ядерное торможение). 6

2. Распыление • Распыление вследствие электронных процессов обусловлено энергией, затрачиваемой электронами, фотонами либо ионами, в том числе и многозарядными ионами, и осколками деления ядер, на возбуждение и ионизацию атомов твердого тела. • Химическое распыление обусловлено химической реакцией падающих частиц с атомами твердого тела с образованием на поверхности летучих соединений. • Существуют и совместные типы распыления. 7

2. 1. Столкновительное распыление 1. Механизмы столкновительного распыления ● Падающая частица сталкивается с атомом твердого тела и при этом передает ему свою энергию. Если передаваемая энергия больше энергии связи атома в кристаллической решетке, то он выбивается из своего равновесного положения. Передача энергии может происходить в парных столкновениях между первичной быстрой частицей и неподвижным атомом твердого тела. Но энергию может передавать и атом, выбитый при столкновении из равновесного положения. 8

2. 1. Столкновительное распыление 1. Механизмы столкновительного распыления (продолжение) Первичные выбитые из равновесных положений атомы сталкиваются с другими атомами мишени, теряя свою энергию в процессе целого каскада столкновений. Атом поверхности оказывается распыленным, если переданный ему импульс имеет составляющую вдоль нормали к поверхности, достаточную для преодоления поверхностной энергии связи ES. 9

2. 1. Столкновительное распыление 2. Энергия связи атомов на поверхности Часто в качестве энергии связи принимают величину, приблизительно равную энергии сублимации. Энергия ЕS связи атомов на поверхности для различных материалов лежит в интервале 2 -8 э. В. Эти значения несколько меньше, чем значения соответствующих величин в объеме, так как прочность закрепления атома в узле решетки зависит от числа связей, а на поверхности часть из них оборвана. Иными словами, в общем случае ES меньше пороговой энергии смещения E d, характеризующей образование радиационных дефектов в объеме. 10

2. 1. Столкновительное распыление 3. Пороговая энергия распыления ● Так как существует пороговая энергия смещения атомов из их положения в решетке, то должна существовать и пороговая энергия распыления ЕSh. атому мишени не может быть сообщена энергия, большая энергии связи, и распыления не происходит. ● При E ESh с ростом энергии Е увеличивается количество атомов в поверхностных слоях мишени, которым в результате торможения первичного иона будет передана энергия, большая энергии связи. разных комбинаций ион - твердое тело составляет 10 -30 э. В. 11

2. 1. Столкновительное распыление • Толщина слоя, из которого в вакуум выходит основное количество распыленных атомов, обычно составляет величину, не более 1 - 2 нм, что, как правило, значительно меньше глубины проникновения ионов. 12

2. 1. Столкновительное распыление 4. Три режима столкновительного распыления 1. Режим прямого (первичного) выбивания. 2. Режим линейных каскадов. 3. Режим нелинейных каскадов 13

2. 1. Столкновительное распыление 4. 1. Режим прямого выбивания В режиме первичного выбивания бомбардирующий ион передает энергию атомам мишени, которые могут после небольшого числа дальнейших столкновений выйти через поверхность, если их кинетическая энергия достаточна для преодоления поверхностных сил связи. Атомы, выбитые из равновесных положений, получают энергию, достаточную для того, чтобы быть распыленными, но слишком малую для того, чтобы образовать каскад смещенных атомов. Протяженность каскадов, если они образуются, невелика и значительный вклад в распыление дают первично выбитые атомы. 14

2. 1. Столкновительное распыление 4. 1. Режим прямого выбивания возникает: - для всех ионов: вблизи порога распыления при энергиях порядка единиц и десятков электронвольт; - для легких ионов: из-за малой эффективности передачи энергии эта область расширяется до энергий порядка нескольких килоэлектронвольт. 15

2. 1. Столкновительное распыление 4. 2. Режим линейных каскадов • Реализуется для всех ионов, кроме самых тяжелых, с энергиями от единиц кэ. В до единиц Мэ. В и для нейтронов. • Атомы, выбитые из положений равновесия, обладают энергией, достаточной для создания каскада столкновений. Однако плотность распределения атомов, выбитых из своих мест в решетке, невелика, так что преобладают столкновения движущихся атомов с неподвижными атомами мишени, тогда как столкновения движущихся атомов между собой происходят редко. 16

2. 1. Столкновительное распыление 4. 3. Режим нелинейных каскадов (тепловых (или столкновительных) пиков) ● Характерен для ионов с большими массами и для молекулярных ионов. Плотность распределения атомов отдачи настолько высока, что большинство атомов внутри некоторого объема (область теплового, или столкновительного, пика) находится в движении. 17

2. 1. Столкновительное распыление 5. Коэффициент распыления S - отношение числа распыленных атомов мишени (N) к числу падающих частиц, вызвавших это процесс (Ni). S - количество распыленных атомов (N), приходящееся на одну бомбардирующую частицу: S = N / Ni [атом/ион]. 19

2. 1. Столкновительное распыление 5. Cкорость распыления VS - толщина распыленного слоя с поверхности облучаемой мишени в единицу времени. Скорость распыления VS связана с коэффициентом распыления S соотношением: [см/с] где j – плотность тока ионов (А/см 2), M 2 – атомный вес вещества мишени (г/моль), e – заряд электрона (Кл), ρ – плотность материала образца (г/см 3), NA – число Авогадро (шт. /моль). 20

2. 1. Столкновительное распыление 5. Эффективность ионного распыления определяется: ● характеристиками бомбардирующего иона: атомным номером, массой, энергией, направленностью движения по отношению к поверхности образца; ● характеристиками материала образца: атомным номером и массовым числом, плотностью, энергией связи атомов, составляющих материал, степенью упорядоченности поверхностных слоев материала, состоянием облучаемой поверхности; 21

2. 1. Столкновительное распыление 6. Зависимость коэффициента распыления от атомного номера ионов ● На рисунке – зависимость коэффициента распыления от заряда ядра Z 1 бомбардирующих ионов ( на примере облучения кремния различными ионами с Е=45 кэ. В). ● При Е=const с ростом Z 1 коэффициент распыления возрастает. 22

2. 1. Столкновительное распыление 6. Зависимость коэффициента распыления от атомного номера материала мишени ● На рисунке – зависимость S от порядкового вещества мишени примере номера Z 2 (на бомбардировки различных элементов ионами аргона с Е=400 э. В. ● Периодичность функции S(Z 2) обусловлена периодичностью изменения энергии связи атомов. 23

2. 1. Столкновительное распыление 6. Влияние дозы облучения на коэффициент распыления ● При больших дозах, когда происходит накопление значительного количества внедренных ионов, образуется своеобразный сплав из атомов мишени и внедренных. ● Коэффициенты распыления для таких композиций согласно экспериментам немонотонно зависят от Z 1. ● Изменение S по мере накопления имплантируемых частиц является правилом. В общем случае зависимость S от дозы облучения может быть как падающей, так и возрастающей функцией дозы. 24

2. 1. Столкновительное распыление 6. Влияние угла падения ионов на коэффициент распыления ● В первом приближении: - путь, проходимый ионом в активном слое – поставщике распыленных атомов, пропорционален 1/cos (θ отсчитывается от нормали к поверхности). - энергия, рассеиваемая в этом слое, а следовательно, и коэффициент распыления S, изменяются примерно по такому же закону. Поэтому количественный расчет (в рамках теории Зигмунда) приводит к выражению где S(0) – коэффициент распыления при =0, f – фактор, определяемый соотношением масс сталкивающихся частиц (для M 1 M 2 f 1, 7; для M 1<

2. 1. Столкновительное распыление 6. Влияние угла падения ионов на коэффициент распыления ● На рисунке - угловые зависимости коэффициента распыления поликристаллических образцов (на примере облучения ионами аргона с Е=1 кэ. В). ● Для каждой пары ионмишень и энергии ионов существует критический угол падения, при котором значение S максимально 26

2. 1. Столкновительное распыление 6. Влияние угла падения ионов на коэффициент распыления ● При углах падения, больших некоторого критического угла Θ*, происходит уменьшение коэффициента распыления, что обусловлено увеличением с ростом количества отраженных от поверхности мишени первичных ионов и их неучастием в развитии каскада столкновений. ● Значение критического угла Θ* должно возрастать с увеличением энергии первичных ионов и их массы. 27

2. 1. Столкновительное распыление 6. Влияние начальной энергии ионов на коэффициент распыления ● На рисунке - зависимость S меди от энергии ионов ксенона и аргона. ● Общий вид S(E), а именно: - рост при низких энергиях, - наличие максимума и спад при больших энергиях, отражает характер изменения сечения упругого торможения (ядерной тормозной способности) при изменении энергии ионов. 28

2. 1. Столкновительное распыление • Значения максимальных коэффициентов распыления меди ионами инертных газов и соответствующие им значения энергии Emax Ион Энергия Emax, соответствующая Smax, кэ. В Smax, атом/ион Неон 10 3 Аргон 30 – 40 7, 5 Криптон 50 15 Ксенон 60 20 29

2. 1. Столкновительное распыление 7. Распределения распыленных частиц 30

2. 1. Столкновительное распыление 7. Угловые распределения распыленных частиц ● Распределение распыленных атомов по углам вылета (интенсивность потока) для поликристаллических и аморфных материалов при бомбардировке по нормали к поверхности в первом приближении подчиняется закону косинуса: I( ) ~ I(0)cos , где - угол вылета, отсчитываемый от нормали к поверхности; I(0) - интенсивность потока распыленных атомов при =0. 31

2. 1. Столкновительное распыление 7. Угловые распределения распыленных частиц ● Реальные угловые распределения могут быть как уже, так и шире косинусоидального распределения: - при низких энергиях ионов (E~0, 1. . 1 кэ. В) угловое распределение распыленных частиц несколько «приплюснуто» , т. е. большее по сравнению с законом косинуса число частиц распыляется вдоль поверхности и меньшее – перпендикулярно ей; - при энергиях Е 10 кэ. В распределение «вытягивается» по нормали к поверхности и приближается к распределению Гаусса. 32

2. 1. Столкновительное распыление 7. Угловые распределения распыленных частиц ● На рисунке – угловое распределениераспыленных атомов W, бомбардирцемых ионами Kr+ с Е=10 кэ. В при угле падения θ=60 град. ● Если ионы падают на образец наклонно, то увеличивается выход распыленных частиц в направлениях, близких к направлению зеркального отражения 33

2. 1. Столкновительное распыление 8. Энергетический спектр распыленных атомов ● На рисунке – типичный спектр распыленных атомов на примере Cs+->Ta (1 – Е=1, 2 кэ. В; 2 – Е=2, 15 кэ. В) ● Распыленные атомы имеют широкое энергетическое распределение с максимумом при энергиях в несколько электронвольт, равных приблизительно половине поверхностной энергии связи: ESput max ES/2. Здесь ESput – энергия распыленных атомов. 34

2. 1. Столкновительное распыление 8. Энергетический спектр распыленных атомов ● Для ESput>ES : , где ν ≈2. ● Высокоэнергетичный «хвост» спектра, а также средняя энергия распыленных атомов растут при увеличении энергии ионов. ● Средняя энергия возрастает также при увеличении угла падения ионов и угла вылета распыленных атомов. ● В низкоэнергетической части спектра (ESput < ES max) при хорошем разрешении обнаруживаются частицы с максвелловским распределением и с температурой 0, 1 -1 э. В, но общий вклад в распыление таких частиц составляет 10%, за исключением, быть может, случая наиболее тяжелых ионов. 35

2. 1. Столкновительное распыление 8. Энергетический спектр распыленных атомов Для режимов линейных каскадов получено выражение для энергетического спектра эмитированных атомов, часто называемое формулой Томсона: ● Здесь m – постоянная, содержащаяся в использованном в теории линейных каскадов, разработанной Зигмундом, степенном потенциале межатомного взаимодействия V(R)~R-1/m, где R – расстояние между сталкивающимися ядрами. m меняется от m=1 при высоких энергиях до m=0 при очень низких энергиях. 36

9. Теоретические представления для столкновительного распыления ● Наиболее разработанными являются каскадные теории распыления твердых тел с неупорядоченным расположением атомов для режима линейных каскадов, базирующиеся на решении уравнений Больцмана. Преимущественное положение здесь занимает теория Зигмунда. ● Согласно теории Зигмунда, перенос кинетической энергии в каскадах столкновений рассматривается на основе решения уравнения Больцмана в его интегро-дифференциальной форме. Взаимодействие между бомбардирующей частицей и атомами твердого тела, а также между атомами твердого тела описывается потенциалами типа Томаса-Ферми (аппроксимируемыми степенными функциями в виде V(R)~R-1/m). 37

2. 1. Столкновительное распыление 9. Теоретические представления для столкновительного распыления ● Коэффициенты распыления согласно теории Зигмунда: - для ионов с энергиями до 1 кэ. В: где α – безразмерный коэффициент, характеризующий эффективность передачи энергии, который зависит от отношения масс взаимодействующих частиц, - максимальная энергия, которая может быть передана при упругих столкновениях 38

2. 1. Столкновительное распыление 9. Теоретические представления для столкновительного распыления Коэффициенты распыления согласно теории Зигмунда: - для ионов с энергиями ≥ 1 кэ. В: Здесь ЕS выражено в э. В; Sn – ядерная тормозная способность на поверхности в э. В см 2; 4, 2 1014 – множитель, имеющий размерность см-2; 39

2. 1. Столкновительное распыление 9. Теоретические представления для столкновительного распыления ● На рисунке – усредненная зависимость α от отношения масс атома М 2 и иона М 1 , рассчитанная для потенциалов V(r) ~ r-2 40

2. 1. Столкновительное распыление 9. Теоретические представления для столкновительного распыления ● ● Теория Зигмунда пригодна для расчета характеристик распыления материалов (в основном металлов и полупроводников) ионами средних масс и средних энергий. Условия, при которых теория Зигмунда несправедлива: - в области средних энергий бомбардирующих частиц при бомбардировке мишеней ионами с очень большой массой; - для низких энергий ионов (много меньших 1 кэ. В); - в случае бомбардировки тяжелых мишеней легкими ионами низких и средних энергий; - при скользящем падении ионов на мишень. 41