Удаление материала с твердой поверхности в результате бомбардировки атомами или ионами — катодное распыление, страница 4

В табл. 2 приведены рассчитанные значения граничных энергий указанных областей Е_А, и Е_В Для различных бомбардирующих частиц при распылении серебра и меди; Е < Е_А — область твердых сфер; Е_А < Е < Е_В — область слабого экранирования; Е > Е_В — область резерфордовских столкновений.

Таблица 2

В настоящее время разработан ряд теорий, позволяющих оценить зависимость коэффициента распыления от энергии, массы и угла падения ионов. Основными параметрами, характеризующими столкновение ионов с кристаллической решеткой, являются поперечное сечение столкновения иона с атомами кристаллической решетки σ_р, при котором атому передается энергия, превышающая значение Е_α (энергии, необходимой для смещения атома из его нормального положения в решетке), и средняя энергия , передаваемая смещенному атому. Максимальная энергия, которая может быть передана ионом неподвижному атому, равна:

,                   (5)

где m₁ — масса иона; m₂ — масса неподвижного атома.

Известно общее выражение для коэффициента распыления:

                (6)

где Е_S — энергия связи атома в кристаллической решетке (энергия сублимации); n_а — число атомов в единице объема. Для малых энергий (Е < Е_А)

;             ,

σ_Т — полное поперечное сечение столкновения твердых шаров,

, где  — характерный радиус экранирующего электронного облака; а₀ ≈ 5,7∙10^-2 нм — радиус атома водорода (радиус Бора); z₁ и z₂ — атомные номера соответственно иона и атома.

Значения S, вычисленные по уравнению (6), качественно согласуются с экспериментальными данными. Для некоторых условий наблюдается хорошее количественное соответствие.

Указанное выше различие средних энергий распыленных частиц и атомов после испарения находит отражение в структуре и свойствах вакуумных конденсатов. При прочих равных условиях (температура, материал и чистота поверхности конденсации, глубина вакуума) конденсатам, полученным методом распыления, как правило, характерны более совершенная структура и высокая адгезия к подложке.

Важной особенностью катодного распыления является также возможность распыления многокомпонентных систем без изменения химического состава конденсатов. Одинаковый химический состав распыляемого вещества и конденсата сохраняется также и для систем, компоненты которых имеют существенно различающиеся коэффициенты распыления. Подобное соответствие обусловлено структурно-кинетическими закономерностями распыления многокомпонентных систем. В самые первые моменты распыления с поверхности сложного сплава преимущественно начинает удаляться компонент с наибольшим коэффициентом распыления. На поверхности формируется так называемый измененный слой, обедненный компонентом с большим коэффициентом распыления. Скорость распыления этого компонента замедляется, в то время как относительная скорость распыления второго возрастает. В процессе дальнейшей бомбардировки процесс стабилизируется: распыление сплава сопровождается сохранением состава и толщины измененного слоя, выполняющего роль автоматического регулятора скоростей распыления. Если коэффициенты прилипания атомов компонентов сплава к подложке примерно одинаковы, химический состав конденсата будет соответствовать составу распыляемого катода (мишени). Различие в составе возникает, когда распыляемый катод имеет достаточно высокую температуру, приближающуюся к температуре плавления. При этом конденсат обогащается компонентом с наибольшим коэффициентом распыления.

Существует достаточно много исследований, подтверждающих полное соответствие химических составов распыляемой мишени и конденсированных пленок.