11.4. Энергетическое и пространственное распределение потока распыленных частиц

Исследования пространственного распределения распыленного материала показали, что наблюдается значительное отклонение от изотропного распределения, характеризуемого законом косинуса: А = А(0)·cosη, гдеА(0)соответствует эмиссии атомов в направлении нормали к поверхности. С увеличением энергии ионов вид пространственного распределения меняется от «подкосинусного» до «надкосинусного» (рис.11.8).

При малых энергиях ионов происходит в основном выбивание атомов из приповерхностных слоев материала. Наибольшую вероятность распыления имеют атомы, получившие импульс, направленный наклонно к поверхности. При больших энергиях смещение атомов происходит на глубине до нескольких десятков атомных слоев материала. Максимальную вероятность распыления имеют атомы, смещенные в каскадах столкновений, развивающихся в направлении кратчайшего расстояния до поверхности. В результате в направлении нормали к поверхности происходит преимущественное распыление и возникает «надкосинусное» распределение.

Отклонение от изотропного пространственного распределения увеличивается с уменьшением массы атомов материала. Так, при нормальном падении ионов аргона с энергией 2,4·10^-15Дж (15 кэВ) на поверхность вольфрама пространственное распределение распыленных атомов изотропно, в то время как на алюминии наблюдается «надкосинусное» распределение.

При ионной обработке материала лишь малая доля энергии бомбардирующего иона уносится из материала распыленными частицами. Спектр энергий простирается до значений 100 – 200 эВ и выше, но относительное число высокоэнергетических частиц очень мало. Энергетическое распределение может быть охарактеризовано следующим выражением:

, (11.8)

где Е– энергия распыленной частицы;U₀– энергия связи атомов.

Большая часть распыленных атомов имеет энергии порядка нескольких электрон-вольт. В то же время их средняя энергия имеет значение порядка десятков электронвольт, что определяется наличием высокоэнергетического «хвоста» распределения.

На рис.11.9 приведен энергетический спектр атомов серебра, распыленных при бомбардировке ионами ксенона с энергиями 6 кэВ. Распределение характеризуется быстрым спадом концентрации частиц с увеличением их энергии. Около 95 – 99% распыленных атомов имеют энергии менее 20 эВ.

Средняя энергия распыленных частиц на 1 – 2 порядка выше энергии испаренных частиц и на 2 – 3 порядка ниже энергии обратно рассеянных ионов. В общем случае вид энергетического спектра зависит от вида распыляемого материала и угла эмиссии распыленных частиц.

Установлено, что распыленные атомы материалов с низким коэффициентом распыления имеют более высокую среднюю энергию. В связи с этим наблюдается периодичность изменения средней энергии распыленных атомов от атомного номера обрабатываемого материала.

Вид энергетического спектра распыленных атомов слабо зависит от энергии бомбардирующих ионов. С ростом энергии удлиняется высокоэнергетический «хвост» спектра, который обусловлен приповерхностными столкновениями иона с атомами в материале.

Распыление материалов происходит в основном в виде нейтральных атомов. В составе продуктов распыления присутствуют также конгломераты атомов материала. При распылении чистых металлов зафиксированы металлические кластеры с числом атомов до 18 и более. Кластеры, как правило, не несут электрического заряда. Например, при распылении ионами аргона с энергией 100 эВ поликристаллической меди до 6% распыленных частиц составляют образования Cu₂. Отмечены кластерыCu_nс числом атомов от 1 до 11 при энергии бомбардирующих ионов до 500 эВ. С уменьшением энергии число кластеров высокого порядка уменьшается. Относительное число многоатомных кластеров в составе продуктов распыления, как правило, невелико.

Рис.11.8. Схема изменения характера пространственного распределения распыленного материала при различных энергиях бомбардирующих ионов: 1- 0,1 кэВ; 2 – 1 кэВ; 3 – 10 кэВ	Рис.11.9. Энергетический спектр распыленных атомов серебра при бомбардировке ионами ксенона

Относительное число многоатомных ионов в ионной составляющей распыленных частиц значительно больше, чем многоатомных нейтральных кластеров в нейтральной составляющей.

Механизм, определяющий распыление многоатомных кластеров, недостаточно ясен. В соответствии с одними представлениями кластеры выбиваются непосредственно из материала и не образуются в газовой фазе. По другим представлениям объединение атомов в кластеры происходит в процессе эмиссии вблизи поверхности материала.