2.2 Нарушение структуры материалов при ионной бомбардировке

Внедрение ионов в материалы сопровождается изменением структуры и свойств в результате образования многочисленных де­фектов. При ионном распылении число возникающих дефектов столь велико, что может происходить полное видоизменение свойств поверхности обрабатываемого материала. Уже сами внед­ренные ионы представляют собой дефекты структуры материала. Однако большая часть дефектов возникает в результате смещения атомов материала. Простейшими дефектами структуры, вызванны­ми смещениями, являются точечные дефекты материала типа Френ­келя. Эти дефекты характеризуются возникновением пары: атом в междоузлии и вакансия.

Теория радиационных нарушений в материалах [14] исходит из предположения, что существует пороговая энергия Е_d, которую необходимо передать атому, чтобы он перешел в междоузлие и воз­ник дефект. Эта энергия должна превышать энергию связи атома в кристаллической решетке или молекуле Е_d. Типичная величина Е_d, оцениваемая как энергия, необходимая для смещения атома внутри материала из своего равновесного состояния, имеет поря­док (2,4—4,8) · 10¹⁸ Дж (15—30 эВ).

Число и распределение возникающих при ионной обработке де­фектов смещения определяется ядерным торможением ионов, т. е. параметром ядерной тормозной способности S_n(E) и дозой бомбар­дирующих ионов N_s. Максимум концентрации дефектов лежит на расстоянии к_р от поверхности и, в целом, распределение дефектов повторяет распределение внедренных ионов. Число возникающих дефектов может быть оценено выражением:

, (2.1)

Из-за возникновения вторичных дефектов глубина нарушенного слоя материала может быть значительно большей, чем глубина внедрения ионов.

Если энергия смещенного атома Е_а превышает E_d, то могут возникать вторичные дефекты, так как смещенный атом способен вызвать смещение другого. Вероятность возникновения вторичных дефектов при столкновении увеличивается от нуля до единицы при энергии смещенного атома E_a = 2E_d, и полное их число будет равно v(E)=E_a/2E_d.

Помимо прямого выбивания атомов материала из равновес­ных положений бомбардирующими ионами происходит распро­странение дефектной области в цепочках последовательной пере­дачи энергии и импульса между атомами.

Диаметр зоны нарушений, создаваемой одним ионом, имеет значение порядка А нм, где параметр А равен численному значе­нию энергии иона, выраженной в килоэлектрон-вольтах. Можно ожидать, что при энергиях несколько килоэлектрон-вольт и дозах бомбардирующих ионов порядка 10¹⁴—10¹⁶ ион/см² будет происхо­дить перекрытие дефектных зон, слияние точечных дефектов в сплошную дефектную зону. Монокристаллическая структура пре­вращается в аморфную. Критическая доза, при которой происходит аморфизация поверхностных слоев обрабатываемого материала, зависит от энергии и массы ионов, температуры, вида образую­щихся дефектов, коэффициента распыления материала и других параметров.

С увеличением энергии повышается доза ионов, необходимая для полной аморфизации поверхностных слоев материала. Это связано с увеличением глубины проникновения ионов в материал и уменьшением доли ядерного торможения.

Увеличение температуры обрабатываемого материала повыша­ет критическую дозу аморфизации [10,15]. Часть дефектов восстанавлива­ется, т. е. восстанавливается кристаллическое совершенство струк­туры.

Материал, в котором существуют дефекты, представляет собой неустойчивую систему, которая с течением времени при температу­рах, отличных от нуля, переходит в устойчивое состояние. Число дефектов уменьшается в результате диффузии внедренных ионов и смещенных атомов. Диффузия происходит тем интенсивней, чем выше температура. Процесс релаксации дефектов подчиняется за­конам диффузии. В результате движения вакансий, смещенных междоузельных атомов и взаимодействия этих дефектов происхо­дит их исчезновение.

Образование дефектов и аморфизация поверхностных слоев соз­дают большие проблемы при проведении процессов ионно-ллазменной обработки материалов.