11.2. Физические основы ионного распыления

Если из нейтрального атома или молекулы удалить или, наобо­рот, присоединить к ним электрон, то образующаяся заряженная частица называется ионом. В зависимости от количества удален­ных или присоединенных электронов ионы соответственно назы­ваются одно- и многозарядными. Ионы могут быть атомарными, молекулярными и кластерными. Кластерные ионы представля­ют конгломерат частиц, несущий заряд. Заряженные ионы можно ускорить электрическим полем, изменить их траекторию движения магнитным полем, можно легко измерить величину созда­ваемого ими тока. Их особенностями являются значительно большие по сравнению с электроном массы, а также сохранение химической индивидуальности тех атомов, из которых они обра­зованы.

Направленный на твердые тела ускоренный поток ионов способен разрушать их, при этом возникает эмиссия атомов, электронов, ионов и фотонов, наблюдаются разогрев тел и моди­фикация поверхностных слоев.

В настоящее время эмиссию частиц вещества в вакуум принято называть ионным распылением вещества, или катодным распылением, что исторически связано с наблюдаемым разрушением катодов в газоразрядных приборах.

Первые модели, пытавшиеся объяснить распыление вещества, опирались на механизм термического испарения атомов с поверхности вещества, нагретого до температуры испарения ионной бомбардировкой. В такой теории «локального разогрева» предполагалось, что катодное распыление есть результат испарения вещества из области, нагревающейся в месте удара бомбардирующего иона за счет его кинетической энергии.

Однако термические теории не согласуются с экспериментальными результатами по распылению различных материалов. При анализе энергетических спект­ров распыленных атомов установлено, например, что средняя энергия выбитых с поверхности мишени атомов составляет 1-10 эВ. Эти значения соответствуют температуре поверхности 10⁴- 10⁵К. При такой температуре выбитые с поверхности атомы должны были бы находиться в ионизированном состоя­нии, причем с многократной степенью ионизации. На самом деле число ионов составляет всего не­сколько процентов от общего числа вы­битых атомов. Столь малое число ионов нельзя объяснить, даже если прибегнуть к эффекту нейтрализации ионов авто­электронами, эмитируемыми с поверхно­сти мишени.

В настоящее время общепризнанным является импульсный (нетермический) механизм разрушения поверхности твер­дых тел под действием ионной бомбардировки. В этом случае происходит обмен импульсами при столкновениях бомбар­дирующего иона с атомами решетки и атомов решетки между собой.

Теория катодного распыления основана на предположении, что в результате проникновения иона в материал возникает каскад бинарных упругих столкновений смещенных атомов, в которых происходит обмен энергией и импульсом между атомами. Среднее время развития каскада столкновений порядка 2·10^-13с.Масса ионов должна быть достаточно велика, т.е. близка или больше массы атомов материала, чтобы увеличить вероятность смещения атомов в столкновениях, т.е. вероятность возникновения каскада столкновений. Конечным результатом каскада столкновений может стать передача поверхностному атому достаточной энергии и необходимого импульса нужной направленности (наружу из материала) для преодоления сил его связи на поверхности. Схема такого каскада представлена на рис.11.3.

Рис.11.3. Схема каскада упругих столкновений атомов А в материале при ионной бомбардировке

Если начало каскада находится глубоко от поверхности материала, то поверхностным атомам будет передана энергия, недостаточная для распыления. Таким образом, энергия ионов определяет интенсивность процесса ионного распыления.

Для того чтобы атом оторвался от поверхности, ему должна быть сообщена энергия, превышающая энергию связи атома с поверхностью твердого тела. Следовательно, существует пороговая энергия Е_пор, сообщаемая поверхностным атомам и равная энергии связи поверхностных атомов. Значение энергии связи атомов можно оценить по энергии сублимации, которая достаточно точно определена для большинства веществ. Считается, что при сублимации атомы удаляются только с поверхности, где на атом действует лишь половина связей. Для оценки пороговой энергии можно воспользоваться выражением

. (11.2)

Отношение , называемое коэффициентом аккомодации, характеризует долю энергии бомбардирующего иона, переданную атому материала в упругом столкновении.