Удаление материала с твердой поверхности в результате бомбардировки атомами или ионами — катодное распыление, страница 2

Рис. 3. Зависимость коэффициента распыления серебра от энергии ионов инертных газов (значки — данные различных авторов)

Коэффициент распыления зависит также от угла падения ионов на облучаемую поверхность, отсчитываемого от нормали к этой поверхности. Для больших энергий (более 10 кэВ) наблюдается повышение значения S по мере увеличения угла падения в интервале 20…60°.

Коэффициент S не одинаков для различных плоскостей монокристаллов; например, при облучении серебра ионами аргона с энергией 6 кэВ S = 3,8; 6; 12,5 для плоскостей соответственно (110); (100) и (111).

Температура подложки оказывает незначительное влияние на коэффициент распыления, до тех пор пока ее значение не достигнет величин (0,5…0,7)Т_пл материала подложки.

В области малых значений плотности ионного тока (j < 10 мкА∙см^-2) коэффициент распыления увеличивается по мере повышения плотности тока до определенной величины, которая остается неизменной при дальнейшем повышении j. Например, при облучении меди ионами аргона с энергией

20 кэВ рост коэффициента распыления происходит по мере повышения плотности ионного тока только до значений 20 мкА/см², в интервале 20…200 мкА/см² он достигает постоянного значения, равного 6,5 ат/ион. При облучении меди ионами криптона постоянное значение S = 9 ат/ион получено в интервале 35…250 мкА/см². Указанная зависимость при распылении с малыми плотностями ионного тока может быть объяснена параллельно идущим процессом адсорбции активных газов на поверхности, тормозящим распыление. Только при повышении плотности ионного тока (в рассмотренных примерах — выше 20 и 35 мкА/см²) число атомов, покидающих поверхность в результате распыления, превысит число атомов остаточных газов, попадающих на поверхность.

Следует отметить, что давление остаточных газов может уменьшать коэффициент распыления и вследствие обратной диффузии распыленных частиц и снижения энергии ионов в результате столкновений с атомами газа. Естественно, что эти эффекты будут зависеть от применяемого метода распыления и соответствующего давления в рабочем объеме. Обычно выбирают некоторый оптимальный диапазон давлений с точки зрения коэффициента распыления. Например, при катодном распылении никеля ионами аргона с энергией 150 эВ оптимальный интервал давлений составляет 3,3…10 Па.

Большой интерес для понимания природы распыления, а также особенностей структуры и свойств вакуумных конденсатов представляют данные об энергии распыленных частиц. Измерения различными методами скорости распыленных частиц показывают, что их энергия во много раз превышает энергию атомов при испарении. Например, средняя энергия атомов меди, испаряемых со скоростью 5∙10¹⁷ ат/(с∙см²) при температуре

1500 К, равна 0,26 эВ, в то время как атомы, выбитые ионами Кr⁺ с энергией 900 эВ, обладают средней энергией 9,25 эВ. Эта энергия эквивалентна температуре 55000 К. Средние энергии распыленных атомов () зависят от энергии ионов, материала облучаемой поверхности и угла вылета, достигая значений 200 эВ и выше. На рис. 4 показаны значения средней кинетической энергии распыленных частиц металлов при облучении ионами Хе⁺ с энергией 35 кэВ по нормали к поверхности образца.

Рис. 4. Средняя кинетическая энергия частиц распыленных металлов в зависимости от атомного номера элемента

Величины  значительно превышают энергию сублимации. Наблюдается характерная периодичность, соответствующая периодической системе элементов. Значения  минимальны для элементов второй подгруппы (Zn, Сd, Тl). Наибольшие значения  имеют те металлы, коэффициент распыления которых минимален.