Ионное распыление

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Ио́нное распыле́ние — эмиссия атомов с поверхности твёрдого тела при его бомбардировке тяжёлыми заряженными или нейтральными частицами. В случае, когда речь идёт о бомбардировке отрицательно заряженного электрода (катода) положительными ионами, используется также термин «катодное распыление».

История открытия[править | править код]

Ионное распыление было открыто в 1852 году В. Р. Гроувом, который пытался установить аналогию между электролизом и «электризацией» газа.

Вначале некоторые исследователи это явление называли «электрическим испарением», так как в газоразрядных трубках металлические электроды «испарялись» при температурах, которые были значительно ниже достаточной для этого. В дальнейшем за процессом разрушения и распыления металлов в газоразрядных трубках укрепилось название «катодное распыление», поскольку на стенках трубок оседал в основном материал катода[1].

Физический механизм[править | править код]

Падающая тяжёлая частица (белый шарик), попадая на поверхность твёрдого тела, вызывает каскад столкновений, который приводит к эмиссии его атомов

Тяжёлые частицы с кинетической энергией, большей пороговой  эВ, могут производить распыление атомов поверхности. Обычно в качестве частиц выступают ионы. При энергиях в несколько сотен электронвольт падающий ион передаёт энергию многим атомам мишени, которые, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами вещества. В конце достигается изотропное распределение энергии атомов со средней энергией , равной работе выхода атома с поверхности. Большая часть атомов, принявших участие в каскаде столкновений, остаются связанными в твёрдом теле, но один или несколько могут покинуть поверхность[2].

Для эмиссии атома с поверхности необходимо, чтобы он, во-первых, имел энергию не меньше , а, во-вторых, вектор скорости, направленный наружу. Чтобы эти условия могли быть выполнены, падающая частица должна передать свой импульс как минимум нескольким атомам мишени (не менее трёх). В связи с этим, пороговая энергия распыления превышает работу выхода приблизительно на порядок.

Коэффициент распыления[править | править код]

Коэффициенты распыления некоторых металлов и соединений (Ar+, 600 эВ)
Материал мишени
Al 0,83
Si 0,54
Fe 0,97
Co 0,99
Ni 1,34
Cu 2,00
Ge 0,82
W 0,32
Au 1,18
Al2O3 0,18
SiO2 1,34
GaAs 0,9
SiC 1,8
SnO2 0,96

Коэффициент распыления — количество эмитированных атомов на один падающий ион, определяется массой падающих частиц, их энергией и углом падения, а также материалом мишени.

Зависимость от энергии падающих частиц[править | править код]

Коэффициент распыления, равный нулю при энергии падающего иона меньше пороговой, быстро возрастает вплоть до энергий в несколько сотен электронвольт, где распыление становится существенным. В случае, когда относительные атомные массы материала мишени и падающего иона большие и не слишком разные , хорошим приближением для коэффициента распыления является выражение[2]:

, где
.

Таким образом, коэффициент распыления зависит от энергии падающих частиц, от их массы и от материала мишени. Следует отметить, что приведённые формулы верны лишь для одноатомных ионов и нейтральных атомов.

При больших энергиях падающих частиц приведённая зависимость нарушается по причине того, что возрастает глубина их проникновения в материал. Каскад столкновений происходит дальше от поверхности, а атомы на ней получают меньше энергии, что снижает вероятность их эмиссии. В результате зависимость от энергии имеет максимум, после которого коэффициент распыления снижается[3].

Зависимость от угла падения частиц[править | править код]

При увеличении угла падения относительно нормали уменьшается глубина проникновения падающих частиц в материал. Каскад столкновений происходит ближе к поверхности, её атомы получают большую долю энергии. Направление импульса, передаваемого смещаемым атомам более благоприятно для распыления. Однако при слишком больших углах падения возрастает вероятность отражения падающей частицы электрическим полем на поверхности без существенной передачи импульса атомам мишени. Таким образом, зависимость от коэффициента распыления имеет максимум, определяемый формулой[4]:

,

где Ридберг.

Как видно из приведённого соотношения, с ростом энергии ионов увеличивается.

Энергия и угловое распределение распылённых атомов[править | править код]

При распылённые атомы имеют следующее распределение по энергии и углу вылета :

.

Максимум распределения достигается при . Поскольку  эВ, характерная энергия распылённых атомов составляет 1,5..3 эВ, что значительно превышает любую достижимую равновесную температуру[5].

Негативные проявления[править | править код]

Ионное распыление приводит к эрозии электродов газонаполненных электровакуумных приборов (в частности, газоразрядных ламп), зондов, используемых для диагностики плазмы, электродов источников плазмы. Для снижения скорости разрушения электродов стремятся снизить энергию ионов, применяют материалы, имеющие низкий коэффициент распыления (графит, титан).

Применение[править | править код]

Ионное распыление применяется, в основном, в микроэлектронном производстве для напыления тонких плёнок и травления рельефа.

Также этот процесс используется в дуговой сварке алюминия для разрушения оксидной плёнки на его поверхности.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

  • Плешивцев Н. В. Катодное распыление. — М.: Атомиздат, 1968.
  • Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.
  • Форрестер, Т. А. Интенсивные ионные пучки. — М.: Мир, 1992. — 354 с. — ISBN 5-03-001999-0.
  • Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 263 с.
  • Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. — John Wiley & Sons, 2005. — ISBN 0-471-72001-1.
  • Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986. — 232 с.
  • Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. — М.: Высш. шк., 1988. — 255 с. — ISBN 5-06-001480-0.
  • Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ионно - и электронно-лучевой технологии. — М.: Машиностроение, 1989. — 56 с. — ISBN 5-217-00726-5.