МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра ФЭТ
отчет
по лабораторной работе №3
по дисциплине «Технология материалов и элементов электронной техники»
Тема: Моделирование зависимостей при столкновении ионов с мишенью
Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.
_________________ Горбунова А.Н.
Преподаватель _________________ Ершов А.А
Санкт-Петербург
2023
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Моделирование процесса столкновения иона с материалом (мишенью).
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Механизм ионного распыления. Взаимодействие бомбардирующего иона с твёрдым телом (мишенью) наиболее убедительно описывается моделью атомных столкновений по типу упругих соударений бильярдных шаров. Основные положения такой теории распыления хорошо согласуются с опытом.
Ион, обладающий определённой кинетической энергией, сталкиваясь с атомом кристаллической решётки твёрдого тела, передаёт ему импульс энергии. При энергиях, превышающих энергию связи атомов, происходит смещение атома из узла кристаллической решётки, при столкновении с соседним атомом он передаёт тому сво2й импульс и т.д. В результате ряда последовательных столкновений импульс передаётся поверхностному атому; если получаемая этим атомом энергия выше теплоты сублимации Есуб, то он имеет возможность быть выбитым в паровую фазу, т.е. происходит его распыление.
Величина пороговой энергии при распылении ионами аргона различается для металлов в несколько раз: для алюминия Епор=13 эВ, для меди 12... 17 эВ, для вольфрама 35 эВ, для золота 20 эВ, для тантала 25 эВ.
Количественной мерой процесса распыления является коэффициент распыления S, представляющий собой среднестатистическое число атомов, выбитых с поверхности мишени одним ионом. Коэффициент распыления зависит от энергии нона, его массы, угла паления, материала мишени, температуры и состояния поверхности.
Типичная зависимость коэффициента распыления от энергии иона показана на рис. 1. Можно выделить четыре области на графике: I - распыление практически отсутствует, что соответствует энергии ниже пороговой; II - происходит слабое распыление, область пригодна для режима очистки поверхностей от адсорбированных газовых примесей; III - коэффициент распыления достаточен для использования в режиме получении тонких пленок; IV – коэффициент распыления. Достигнув максимума, уменьшается вследствие внедрения ионов в мишень, область может быть использована для ионной имплантации.
Рисунок 1
Процесс распыления идет путем последовательного удаления (травления) поверхностных слоев. Поскольку диффузией атомов из глубины мишени можно пренебречь, распыление многокомпонентных материалов будет происходить без фракционирования составляющих, несмотря на некоторые различия в коэффициенте распыления компонентов.
Измерения показывают, что обычно более 95% энергии ионов выделяется в мишени в виде тепла, поэтому распыление является с энергетической точки зрения весьма неэффективным процессом. Тем не менее, энергия распыленных атомов существенно выше, чем энергия испаренных частиц, что определяет особые условия образования пленки.
Повышенная энергия осаждаемых частиц и бомбардировка растущей пленки электронами приводит к увеличению скорости зародышеобразования пленки. Увеличивается адгезия пленки и ее плотность, но одновременно возрастают и внутренние механические напряжения. В пленке возможны радиационные повреждения, подложка дополнительно нагревается бомбардирующими частицами. Из-за того, что процесс ведется в среднем вакууме, происходит загрязнение пленки остаточными газами, а также продуктами распыления стенок камеры; атомы аргона внедряются в пленку, вызывая пористость ее. Применение обычных для термовакуумного напыления методов контроля толщины пленки с помощью свидетелей и кварцевого датчика для ИР, в среде высокопроводящей плазмы, исключено. Зато при стабилизированном процессе распыления толщина пленки может контролироваться простейшим способом - по времени напыления.
ПРОТОКОЛ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Изображения различных энергий ионов.
Рисунок 2 – Энергия ионов 0.1 кэВ
Рисунок 3 – Энергия ионов 500 кэВ
Рисунок 4 – Энергия ионов 3 МэВ
2. Построение зависимости электронных и ядерных потерь от начальной энергии ионов.
Рисунок 5 – Экспериментальная зависимость электронных и ядерных потерь от начальной энергии ионов
Рисунок 6 - Теоретическая зависимость электронных и ядерных потерь от начальной энергии ионов
3. Построение зависимости выбитых с помощью ионов атомов при начальной энергии En.
Рисунок 7 – Зависимость выбитых с помощь ионов атомов от начальной энергии
ВЫВОД
В ходе данной лабораторной был смоделирован процесс столкновения иона с материалом (мишенью). Также была построена зависимость электронных и ядерных потерь от начальной энергии ионов (рис.5), она соответствует теории.
Была построена зависимость выбитых с помощь ионов атомов от начальной энергии (рис.7).