Iontové rozprašování

Iontové rozprašování je emise atomů z povrchu pevné látky , když je bombardována těžkými nabitými nebo neutrálními částicemi. Pokud jde o ostřelování záporně nabité elektrody ( katody ) kladnými ionty , používá se také termín "katodové rozprašování".

Historie objevů

Iontové rozprašování objevil v roce 1852 W. R. Grove , který se pokoušel vytvořit analogii mezi elektrolýzou a „elektrifikací“ plynu.

Zpočátku někteří výzkumníci nazývali tento jev „elektrické vypařování“, protože v trubicích s plynovými výboji se kovové elektrody „vypařily“ při teplotách, které byly mnohem nižší, než by k tomu stačily. Následně byl proces destrukce a rozprašování kovů v plynových výbojkách pojmenován „katodové rozprašování“, protože na stěnách trubic se usazoval především katodový materiál [1] .

Fyzikální mechanismus naprašování

Přicházející těžké částice (nejčastěji ionty) s kinetickou energií větší než určitá prahová hodnota eV, narážející na povrch, mohou způsobit emisi atomů a molekul cíle. Při energiích několika set elektronvoltů přenáší dopadající iont energii současně na mnoho cílových atomů, které se naopak srážejí s jinými atomy látky. Na konci série srážek dochází k lokálnímu rovnovážnému rozložení energie atomů s průměrnou energií rovnou nebo větší než je pracovní funkce atomu z povrchu. Většina atomů, které se zúčastnily kaskády srážek, zůstává vázána v pevné látce, ale jeden nebo více může opustit povrch [2] . ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }=20...50$ ${\mathcal {E}}_{t}$

Pro emisi atomu z povrchu je nutné zaprvé, aby měl energii ne menší než , a zadruhé vektor rychlosti směřující z povrchu ven. Aby byly tyto podmínky splněny, musí dopadající částice přenést svou hybnost alespoň na několik cílových atomů (nejméně tři). V tomto ohledu minimální prahová energie dopadající částice pro rozprašování překračuje pracovní funkci přibližně o řád. ${\mathcal {E}}_{t}$ ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$

Koeficient postřiku

Koeficienty naprašování některých kovů a sloučenin při ozáření Ar + ionty o energii 600 eV

Cílový materiál	$\gamma _{\mathrm {sput} }$
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

Koeficient naprašování je definován jako počet emitovaných atomů na dopadající iont a závisí na hmotnosti dopadajících částic, jejich energii a úhlu dopadu a také na materiálu terče. $\gamma _{\mathrm {sput} }$

Závislost na energii dopadajících částic

Koeficient rozprašování, který je roven nule, když je energie dopadajícího iontu nižší než prahová hodnota, rychle narůstá až na energie několika stovek elektronvoltů, kde se rozprašování stává významným. V případě, že relativní atomové hmotnosti materiálu terče a dopadajícího iontu jsou velké a nejsou příliš odlišné , dobrou aproximací koeficientu naprašování je výraz [2] : ${\displaystyle Z_{t))$ $Z_{i}$ $(0{,}2\lesssim Z_{t}/Z_{i}\lesssim 5;Z_{t},Z_{i}>>1)$

\gamma _{\mathrm {sput} }={\frac {0{,}06}{{\mathcal {E}}_{t}}}{\sqrt {Z'}}\left({ \sqrt {{\mathcal {E}}_{i}}}-{\sqrt {{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }}}\right)

, kde .

Z'={\frac {2Z_{t}}{(Z_{i}/Z_{t})^{2/3}+(Z_{t}/Z_{i})^{2/3 }}}

Koeficient rozprašování tedy závisí na energii dopadajících částic, na jejich hmotnosti a na materiálu terče. Je třeba poznamenat, že výše uvedené vzorce jsou platné pouze pro monoatomické ionty a neutrální atomy.

Při vysokých energiích dopadajících částic je výše uvedená závislost porušena tím, že se zvyšuje hloubka jejich průniku do materiálu. Ke srážkové kaskádě dochází hlouběji v povrchu a atomy v blízké povrchové vrstvě dostávají méně energie, takže je méně pravděpodobné, že budou emitovány. V důsledku toho má závislost koeficientu rozprašování na energii dopadající částice maximum, po jehož dosažení koeficient rozprašování s dalším nárůstem energie klesá [3] .

Závislost na úhlu dopadu částic

S rostoucím úhlem dopadu vůči normále k povrchu se hloubka průniku dopadajících částic do materiálu snižuje. Kaskáda srážek probíhá blíže k povrchu, její atomy dostávají větší podíl energie. Směr rychlosti přenášené na přemístěné atomy je příznivější pro rozprašování. Při příliš velkých úhlech dopadu se však zvyšuje pravděpodobnost odrazu dopadající částice elektrickým polem na povrchu bez výrazného přenosu energie na cílové atomy. Závislost součinitele rozstřiku na úhlu dopadu má tedy maximum určené vzorcem [4] : $\theta$

\theta _{max}={\frac {\pi }{2}}-\left[{\frac {5\pi a_{0}^{2}N^{2/3}Z_{i }Z_{t}R_{y}}{{\mathcal {E}}_{i}\left(Z_{i}^{2/3}+Z_{t}^{2/3}\right)} }\right]^{1/2}

, kde je Rydbergova konstanta .

R_{y}

Jak je vidět z výše uvedeného vztahu, s rostoucí energií iontů roste. ${\displaystyle \theta _{max))$

Energie a úhlové rozložení rozprášených atomů

Naprašované atomy mají následující rozložení energie a emisního úhlu : ${\mathcal {E}}_{i}>>{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$ $\chi$

f({\mathcal {E)),\chi )\propto {\frac {\mathcal {E)){({\mathcal {E))_{t}+{\mathcal {E)) ^ {3}}}\cos \chi

Distribuční maximum je dosaženo v . Od eV je charakteristická energie rozprašovaných atomů asi 1,5...3 eV, což odpovídá teplotě 15000-30000 K, což je mnohem vyšší než jakákoli dosažitelná rovnovážná teplota [5] . ${\mathcal {E}}={\mathcal {E}}_{t}/2$ ${\mathcal {E}}_{t}\sim 3...6$

Negativní projevy

Iontové naprašování vede k erozi elektrod plynem plněných elektrických vakuových zařízení (zejména plynových výbojek ), sond používaných pro diagnostiku plazmatu , elektrod plazmových zdrojů . Ke snížení rychlosti destrukce elektrod se snaží snížit energii iontů, používají se materiály s nízkým koeficientem rozprašování ( grafit , titan ).

Aplikace

Iontové naprašování se používá hlavně ve výrobě mikroelektroniky pro nanášení tenkých vrstev a reliéfní leptání .

Tento proces se také používá při obloukovém svařování hliníku, aby se zničil oxidový film na jeho povrchu.

Viz také

Poznámky

↑ Pleshivtsev, 1968 , s. 5.
↑ 1 2 Lieberman, Lichtenberg, 2005 , s. 308.
↑ Ivanovskij, Petrov, 1986 , s. 31-32.
↑ Ivanovskij, Petrov, 1986 , s. 35.
↑ Lieberman, Lichtenberg, 2005 , s. 309.

Literatura

Pleshivtsev NV Katodové naprašování. — M .: Atomizdat , 1968.

Danilin B.S. Využití nízkoteplotního plazmatu pro depozici tenkých vrstev. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 s.

Forrester, T. A. Intenzivní iontové paprsky. — M .: Mir, 1992. — 354 s. — ISBN 5-03-001999-0 .

Danilin BS, Kireev V. Yu Aplikace nízkoteplotního plazmatu pro leptání a čištění materiálů. - M. : Energoatomizdat, 1987. - 263 s.

Lieberman MA , Lichtenberg AJ Principy plazmových výbojů a zpracování materiálů. - John Wiley & Sons, 2005. - ISBN 0-471-72001-1 .

Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Ion-plasma processing of materials. - M . : Rozhlas a komunikace, 1986. - 232 s.

Popov VF, Gorin Yu. N. Procesy a instalace elektron-iontové technologie. - M .: Vyšší. škola, 1988. - 255 s. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Vakuové procesy a zařízení pro technologii iontového a elektronového svazku. - M .: Mashinostroenie, 1989. - 56 s. - ISBN 5-217-00726-5 .