Лабы Прикладная физика плазмы (ПФП) / ЛР4_dlya_raznoglazogo_O Исследование коэффициента распыления мишени ионами инертных газов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №4

по дисциплине «Прикладная физика плазмы»

Тема: «ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАСПЫЛЕНИЯ МИШЕНИ ИОНАМИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ»

Студенты гр.
Преподаватель		Марцынюков С. А.

Санкт-Петербург

202X

Цель работы

ознакомление с механизмом ионного распыления и расчет коэффициента распыления мишени ионами инертных газов.

Основные теоретические положения

Основным механизмом ионного распыления является процесс передачи

ускоренным ионом импульса атому мишени. Если переданная атому энергия превышает пороговую энергию смещения, то атом может перемещаться или непосредственно в направлении к поверхности мишени, или в результате рядя вторичных столкновений. При нормальном падении иона на мишень распыление может происходить только при последовательных вторичных столкновениях первично смещенных атомов.

При попадании частицы на поверхность мишени между ними происходят взаимодействия различного типа:

- рассеяние ионов на атомах;

- поверхностные дислокации;

- внутренние дислокации;

- физическое распыление;

- ионная имплантация;

- химическое распыление;

- перенос заряда;

- адсорбция ионов;

- эмиссия электронов;

- эмиссия поверхностных ионизированных ионов.

Протекание указанных реакций определяется энергией химических связей между атомами обрабатываемой поверхности и падающими частицами, поверхностными электрическими полями, возникающими вследствие асимметрии кристаллической решетки на поверхности, поляризацией падающих частиц и постоянных решетки и температурой подложки.

Падающий ион при определенных условиях может быть отражен обратно атомом или группой атомов бомбардируемого образца, что обычно приводит к отклонению иона от первоначального направления своего движения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. При этом обмен энергией может быть как упругим, так и неупругим, что определяется типом взаимодействующих частиц и энергией иона (рис. 1).

Рис. 1. Энергетический спектр ионов и схематическое

представление их взаимодействия с мишенью

Полные потери энергии dW_i/dz можно представить в виде суммы трех составляющих: ядерной, электронной и обменной. При малых энергиях ионов преобладает их взаимодействие с ядрами. При высоких энергиях - более существенными становятся уже столкновения с электронами. Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше А [кэВ], где А - атомная масса первичного иона. В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать примерно до 10 % от полных потерь.

Неупругие взаимодействия с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию. При упругих соударениях происходит перераспределение кинетической энергии между сталкивающимися частицами. Рассеивающий атом не только теряет свою энергию, но и меняет направление своего движения. Получающий энергию атом вещества способен покинуть свою позицию и привести к смещению атомов кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному распылению. Полные потери энергии равны сумме потерь при упругих и неупругих столкновениях.

Энергетический спектр ионов с начальной энергией W₀, рассеянных твердотельной мишенью, имеет широкий низкоэнергетический максимум в интервале от 10 до 30 эВ, соответствующий испусканию нейтральных атомов (распыленные атомы), и высокоэнергетический - расположенный вблизи энергии первичного иона W_i0 (упругорассеянные ионы) (см. рис. 1).

Если взаимодействующие с поверхностью образца ионы обладают такой энергией, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, то происходит физическое распыление поверхности. Коэффициент распыления S_pac в этом случае определяется числом атомов (в основном нейтральных), выбиваемых с поверхности одним падающим ионом.

При малых энергиях существует порог возникновения распыления, выше которого коэффициент распыления сначала возрастает, достигая своего максимума, но при очень высоких энергиях снова падает, поскольку в этом случае энергия иона выделяется настолько глубоко в твердом теле, что получивший эту энергию и он не способен выйти на поверхность.

B целом теория распыления основана на механизмах случайных столкновений, уравнение Больцмана и общей теории переноса. Каскад столкновений возникает, когда энергия первичного иона достаточно велика для того, чтобы он мог передать энергию, превышающую энергию смещения атома кристаллической решетки. Распыление появляется в том случае, если участвующие в каскаде атомы пересекают поверхность с энергией, превышающей поверхностную энергию связи (W_св).

Коэффициент распыления зависит не только от энергии иона и его массы, но и от угла его падения на поверхность соударения а. Вероятность же смещения атома зависит только от расстояния этого атома до точки попадания иона в мишень. В подобной модели предполагается, что коэффициент распыления пропорционален площади зоны, определяемой пересечением поверхности мишени с объемом, содержащим каскад столкновений, и при низких энергиях для коэффициента распыления справедливо следующее приближенное равенство: .

При столкновении с поверхностью осаждающиеся частицы теряют за какой-то промежуток времени свою избыточную тепловую энергию и переходят в адсорбированное состояние. При этом они обладают достаточно большой диффузионной подвижностью на поверхности подложки, чем в значительной мере и определяется дальнейший процесс образования конденсата.

Максимальные коэффициенты распыления имеют вещества, состоящие из элементов побочной подгруппы первой группы периодической системы: медь, серебро, золото. Их объединяет то обстоятельство, что они имеют полностью заполненную d-оболочку. Можно считать, что степень заполненности d-оболочки атома электронами определяет его склонность к распылению. Этим же фактором определяется энергия связи атомов в веществе. Коэффициент распыления обратно пропорционален W_св.

Обработка результатов

Таблица 1. Параметры газов

Газ	Ne	Kr
	10	36
	20	84

Таблица 2. Параметры металлов

Металл	Al	Ti	Pt
	13	22	78
	27	47,9	195
, эВ	3,26	4,34	5,56

Основные расчетные формулы:

1. Радиус экранирования по Фирсову:

где боровский радиус; и атомные номера бомбардирующего иона и атома кристаллической решетки мишени.

2. Приведённая энергия ионов

где и массы иона и атома; диэлектрическая проницаемость вакуума; радиус экранирования по Фирсову; заряд электрона; энергия ионов [эВ].

3. Приведённое ядерное торможение ионов:

где приведённая энергия ионов.

4. Коэффициент распыления для энергий до 1 кэВ:

где и массы бомбардирующего иона и атома мишени; безразмерный коэффициент, зависящий от соотношения ; поверхностная энергия связи.

5. Коэффициент распыления для энергий в диапазоне нескольких килоэлектрон-вольт и средних и больших масс ионов:

где диэлектрическая проницаемость вакуума; характерный радиус экранирующего электронного облака по модели Томаса Ферми (параметр экранирования Линдхарда); приведенное ядерное тормозное сечение ионов; приведенная энергия ионов.

Расчётные зависимости коэффициента распыления мишени:

Используя формулу (4), получим:

Рис. 2. Коэффициент распыления мишени из Al ионами Ne и Kr для энергий до 1 кэВ

Используя формулу (5), получим:

Рис. 3. Коэффициент распыления мишени из Al ионами Ne и Kr для энергий в диапазоне нескольких сотен кэВ

Используя формулу (4), получим:

Рис. 4. Коэффициент распыления мишени из Ti ионами Ne и Kr для энергий до 1 кэВ

Используя формулу (5), получим:

Рис. 5. Коэффициент распыления мишени из Ti ионами Ne и Kr для энергий в диапазоне нескольких сотен кэВ

Используя формулу (4), получим:

Рис. 6. Коэффициент распыления мишени из Pt ионами Ne и Kr для энергий до 1 кэВ

Используя формулу (5), получим:

Рис. 7. Коэффициент распыления мишени из Pt ионами Ne и Kr для энергий в диапазоне нескольких сотен кэВ

Выводы

В ходе лабораторной работы мы ознакомились с механизмом ионного распыления и рассчитали коэффициент распыления мишени ионами инертных газов. В результате были построены графики зависимости коэффициента распыления от энергии иона для четырех пар ион - мишень для диапазонов энергий иона до 1 кэВ и после. Стоит заметить, что обе модели плохо описывают распыление при энергиях ионов в 1 кэВ, на всех графиках видны различия в этой точке. Также можно заметить, что ион криптона лучше распыляет атомы мишени, чем неон при энергиях выше 1 кэВ – это связано с его большой массой. А при энергиях меньше 1 кэВ неон распыляет лучше, так как его масса ближе к массе атомов мишени. Кроме того, в нелинейной модели коэффициент распыления имеет максимум, что говорит о выделении большей части энергии иона в глубине мишени, откуда атомы мишени выйти не способны.