Удаление материала с твердой поверхности в результате бомбардировки атомами или ионами — катодное распыление

Лекция 12

РАСПЫЛЕНИЕ

Удаление материала с твердой поверхности в результате бомбардировки атомами или ионами — катодное распыление — известно более 150 лет (Гроув, 1852г.).

Рис. 1. Устройство для наблюдения катодного распыления, описанное Гроувом

Катодное распыление широко применяется для получения тонких пленок толщиной 1…50 мкм и более.

Обычно для распыления применяют ионную бомбардировку, так как ионы легко ускорить до необходимой скорости. В зависимости от поставленных задач применяют ионы различных элементов, в том числе и ионы вещества, из которого состоит облучаемый образец, т. е. осуществляют самораспыление. Как известно, в момент соударения с поверхностью ион передает часть энергии атомам кристаллической решетки. Распыление материала поверхности происходит в том случае, если энергия иона E_i превышает некоторое значение — пороговую энергию E_пор:

, где Н – энергия сублимации.

Для большинства материалов эта величина изменяется в пределах 1…100 эВ (см. табл. 1).

Таблица 1

По мере дальнейшего повышения энергии ионов распыление ускоряется. Основную массу распыляемых частиц составляют нейтральные атомы, доля заряженных частиц — положительных и отрицательных ионов — составляет обычно около 1 %.

Интенсивность распыления характеризуют коэффициентом распыления Sравным отношению числа распыленных атомов к числу бомбардирующих ионов, т.е. числом атомов вещества, выбитых одним ионом:

.                                                            (1)

Коэффициент распыления можно определить, зная потерю массы облучаемого ионами образца,

,                                                 (2)

где ∆т— потеря массы, мкг; I_i — ионный ток, мкА; t— время облучения, ч; А— массовое число атомов образца.

На практике часто применяют величину, условно названную скоростью распыления: массу распыленного вещества, отнесенную к числу ионов, встретившихся с поверхностью [мкг/(мкА∙ч)]:

.                                          (3)

Истинная скорость распыления — число частиц, распыленных за одну секунду (частиц/с), равна

.                                (4)

Указанное выше распыление иногда классифицируют как физическое в отличие от химического распыления, когда бомбардирующий ион взаимодействует с материалом поверхности, образуя летучее соединение. В этом случае энергия падающего иона не имеет решающего значения. Ниже рассмотрены закономерности только физического распыления.

На рис. 2 показана типичная зависимость коэффициента распыления от энергии ионов.

Рис. 2. Зависимость коэффициентов распыления поликристаллической меди от энергии ионов аргона

Рассматриваемый интервал энергий можно приближенно разделить на пять областей:

Область I — соответствует допороговым энергиям ионов, когда распыление не фиксируется современными методами измерения.

Oбласть II — распыление начинается с очень малой скоростью, но коэффициент распыления резко возрастает при небольшом увеличении энергии ионов.

Oбласть III — коэффициент распыления увеличивается примерно линейно с увеличением энергии ионов.

Oбласть IV — коэффициент распыления продолжает увеличиваться с повышением энергии ионов, однако с меньшей скоростью по сравнению с областью III. Это можно объяснить более глубоким проникновением ионов в облучаемый материал и, следовательно, уменьшением числа возбужденных атомов, которые достигают поверхности и покидают ее.

Oбласть V — для коэффициента распыления характерен пологий максимум, в пределах которого коэффициент распыления практически не зависит от энергии ионов. Затем коэффициент распыления начинает уменьшаться вследствие дальнейшего увеличения глубины проникновения бомбардирующих ионов.

Представление о глубине выхода атомов дают специальные опыты по распылению поверхности золота с предварительно нанесенным подслоем радиоактивного золота Аu¹⁹⁸ ионами Аr⁺ и Кr⁺ с энергией 8 кэВ. Наблюдался выход распыленных атомов из глубин до 8 нм (20 атомных слоев).

Легкие ионы, например водород или гелий, довольно легко проникают в облучаемое вещество, поэтому максимум зависимости S=f(E_i) для них достигается при нескольких тысячах электронвольт. Для тяжелых ионов (ксенон, ртуть) максимум не проявляется даже при энергиях выше 50 кэВ. Естественно, что для получения покрытий необходимо осуществлять распыление с максимальными скоростями, соответствующими области IV.

На рис. 3 приведены коэффициенты распыления серебра ионами инертных газов в зависимости от их энергии. Для энергии выше 7…8 кэВ коэффициенты распыления увеличиваются с увеличением массы бомбардирующих ионов, причем насыщение на кривой S=f(E_i) достигается для легких ионов при низких значениях энергии.

Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные позволяют сделать вывод о том, что при фиксированной энергии бомбардирующего иона коэффициент распыления зависит от атомного номера и структуры электронных оболочек материала облучаемого образца: значение S возрастает по мере заполнения d-оболочки атомов. Наибольшие коэффициенты распыления имеют атомы с заполненными d-оболочками, например Сu, Аg, Сd, Аu. Аналогичная зависимость характерна для бомбардирующих ионов: максимальное распыление вызывают ионы элементов с заполненными d-оболочками (Сu, Аg, Сd, Вi, Рb, Тi, Нg, Рt и др.) и p-оболочками (инертные газы). Максимальный коэффициент распыления 84 ат/ион установлен при распылении кадмия одноименными ионами (самораспыление) с энергией 45 кэВ