11.3. Коэффициент распыления

Распыление материалов количественно характеризуется ко­эффициентом распыления S, который определяется количеством выбитых одним ионом атомов, а также производным от него параметром – скоростью распыленияV_р. Так какS- статистическая вели­чина, она может выражаться и дробным числом. В соответствии с этим коэффициент распыления определяется как

S=n_a/n₀, (11.3)

где n_a- число выбитых атомов;n₀- число ионов, бом­бардирующих материал.

Скорость и коэффициент распыления связаны соотношением

(11.4)

где е– заряд электрона, Кл; ρ – плотность материала, г/см³;j– плотность тока ионов, А/см²;М₂– масса атомов материала, г/моль;N_A– число Авогадро, моль^-1.

При измерениях тока ионов необходимо учитывать вторичную электронную эмиссию с поверхности обрабатываемого материала. Если ее трудно или невозможно измерить, то для характеристики процесса распыления используют S/(1 + γ),где γ – коэффициент вторичной эмиссии (электрон/ион).

Значение коэффициента распыления определяют следующие факторы:

- характеристики бомбардирующих ионов: атомный номер, масса, энергия, направленность движения ионов по отношению к обрабатываемому материалу;

- характеристики обрабатываемого материала: атомный номер, масса, относительная плотность, энергия связи атомов, составляющих материал, степень кристалличности материала и состояние его поверхности;

- плотность тока бомбардирующих ионов;

- влияние среды: давление и состав остаточных и рабочих газов, наличие различного рода излучений и т.п.

Энергия бомбардирующих ионов.С увеличением энергии ионовSвозрастает, достигает максимума, а затем уменьшается (рис. 11.4). В соответствии с представлениями о потерях энергии и пробеге ионов в материалах такой вид зависимостиS = f(E₀)объясняется следующим. С увеличением энергии ионов увеличивается поступление ее в обрабатываемый материал. Следовательно, растет доля энергии, передаваемой атомам на поверхности. Одновременно растет глубина проникновения ионов в материал. Каскады столкновений, в результате которых энергия ионов передается на поверхность, начинаются на большей глубине, в процессе передачи энергии участвует большее число ионов. Доля энергии, теряемой ионом в упругих столкновениях с атомами, уменьшается с увеличением энергии. В результате уменьшается энергия, которую получают атомы на поверхности.

Масса бомбардирующих ионов.Значение энергииЕ₀, соответствующейS_макс, и значениеS_максзависят от массы бомбардирующего иона. На рис. 11.5 приведены зависимостиS = f(E).С увеличением массы иона увеличивается энергия, соответствующаяS_макс,и абсолютное значениеS_макс.

Атомный номер распыляемого материала.Наблюдается сложная периодическая зависимостьSот атомного номера распыляемого материала, в которой можно выделить следующую закономерность: в пределах периода таблицы Менделеева коэффициент распыленияS возрастает по мере заполнения электронныхd-оболочек.

Угол падения ионов на поверхность распыляемого материала.Практически у всех материалов с увеличением угла падения ионовθотносительно нормали к поверхности происходит увеличение коэффициента распыленияSи достигает максимума при определенном для каждого материала угле падения, а затем резко уменьшается до нуля (рис.11.6). Приближенно зависимостьS = f(θ)при малых углах падения может быть оценена соотношением

(11.5)

где S(0)– коэффициент распыления при нормальном угле падения ионов (θ= 0).

Подобную закономерность изменения функции S(θ)можно объяснить двумя причинами. С увеличением угла падения иона на поверхность уменьшается глубина, на которую он проникает в материал. Цепочки каскадных столкновений, в результате которых распыляются атомы, развиваются вблизи поверхности материала, и они более короткие. Следовательно, повышается вероятность приобретения атомами на поверхности энергии, достаточной для распыления. Направление импульса, передаваемого ионом смещенным атомам, более благоприятно для распыления. В то же время при слишком больших углах падения иона возрастает вероятность его обратного рассеяния без проникновения в материал.

Температура материала мишени.Коэффициент распыления с изменением температуры обрабатываемого материала практически не меняется (рис.11.7). Для поликристаллических и аморфных материалов в диапазоне температур до 600 К величина коэффициента распыления не зависит от температуры. Быстрое его увеличение при температурах, близких к температурам плавления металлов, по-видимому, связано с испарением. Отсутствие зависимостиS = f(T)показывает, что увеличение поперечного сечения взаимодействия незначительно.

Поперечное сечение взаимодействия определяется скоростью быстрой частицы, участвующей во взаимодействии, а именно скоростью бомбардирующего иона. По сравнению с ионом атом обрабатываемого материала можно считать покоящимся независимо от его температуры. В то же время нельзя считать, что температура не оказывает какого-либо влияния на процесс ионного распыления. Она в сильной степени может влиять на состояние поверхности и состав распыляемого материала, на процессы абсорбции, десорбции остаточных газов на поверхности, на степень кристаллического совершенства приповерхностного слоя материала, в котором происходит смещение атомов в результате ионной бомбардировки. Влияние температуры проявляется также в изменении количества распыленных возбужденных и ионизированных частиц.

Структура и чистота обработки поверхности материала.При нормальной ионной бомбардировке поликристаллических материалов с гладкой поверхностью коэффициент распыления больше на границах зерен, а распыление сопровождается выявлением структуры материала и образованием топографического рельефа в виде конусов, кратеров, выступов, пирамид и т.д., наполненных газом рекомбинированных ионов. Шероховатые поверхности имеют меньшее распыление, чем гладкие. Это связано с частичными улавливаниями распыленных атомов соседними микронеровностями.Однако по мере удаления поверхностного слоя коэффициент распыления для поверхностей с различной чистотой обработки выравнивается (у гладких поверхностей – понижается, у шероховатых – возрастает), приближаясь к определенной величине, характерной для топографии поверхности, сформированной только за счет ионной бомбардировки.

Давление рабочего газа в камере.С ростом давления (свыше 1 - 1,2 Па) наблюдается уменьшение коэффициента распыления материалов. Этот факт объясняется увеличением вероятности возвращения распыленных атомов из-за обратной диффузии и обратного рассеяния (отражения).

Под обратной диффузией понимается диффузионное возвращение на мишень распыляемых атомов, имеющих среднюю кинетическую энергию, соизмеримую с кинетической энергией атомов инертного газа.

Под обратным рассеянием следует понимать возвращение распыленных атомов на мишень из-за их рассеяния на атомах инертного газа.

Распыление монокристаллических материалов.Отмечено, что атомы из монокристаллов распыляются преимущественно вдоль направлений с плотной упаковкой атомов. Число направлений преимущественной эмиссии невелико. Для металлов с гранецентрированной кубической решеткой наиболее предпочтительным направлением эмиссии атомов является направление <100>. Для металлов с объемно-центрированной кубической решеткой предпочтительным направлением будет <111>. Для полупроводников анизотропия распыления менее выражена, чем для металлов. Преимущественными направлениями будут направления <111>,<100>. Наблюдается ярко выраженная зависимость анизотропии распыления от температуры. При повышенной температуре частично отжигаются дефекты, создаваемые ионной бомбардировкой, и каждый ион взаимодействует с более упорядоченной структурой. В результате анизотропия распыления увеличивается.

Распыление многокомпонентных материалов.При бомбардировке ионами многокомпонетной поверхности материала установлено, что отдельные компоненты распыляются непропорционально поверхностной концентрации вещества. Такое явление называется преимущественным распылением.Данное распыление обусловлено различными факторами: различиями в массах атомов мишени, влияющих на длину каскада столкновений; различиями в поверхностной энергии связи или в химической энергии связи между компонентами мишени, а также термически или радиационно стимулированной сегрегацией. В случае соединений, содержащих элементы с высоким давлением пара, необходимо учитывать также тепловые пики.

Преимущественное удаление одного из компонентов с поверхности приводит к образованию измененного слоя, примыкающего к поверхности, состав которого отличается от состава в объеме. Толщина этого слоя значительно больше глубины зоны, из которой распыляются атомы, и в большинстве случаев сравнима с пробегом первичных ионов. При достаточно низких температурах, когда диффузия незначительна, измененный слой сохраняет определенную толщину и могут быть достигнуты равновесные условия, при которых распыленное количество каждого из компонентов пропорционально концентрации последнего в объеме.

В многофазных материалах кристаллиты разного состава, часто различающиеся к тому же и кристаллической структурой, по-разному распыляются под действием ионной бомбардировки, проявляя эффект селективного распыления. В случае многокомпонентных материалов приходится вводить несколько разных коэффициентов распыления.

Парциальный коэффициент распыления S_iкомпонентаi многокомпонентного материала определяется как среднее число распыленных атомов сортаi, приходящееся на один первичный ион. Таким образом, полный и парциальный коэффициенты распыления связаны между собой соотношением

(11.6)

Коэффициент распыления компонента определяется как парциальный коэффициент распыления Si, деленный на равновесную поверхностную концентрацию компонентаi в процессе распыления:

(11.7)

Парциальный коэффициент распыления, а также коэффициент распыления компонента изменяются, если в процессе бомбардировки изменяется поверхностная концентрация. При достаточно низких температурах, когда объемная диффузия незначительна, в ходе бомбардировки частицами всегда устанавливается равновесный режим, в котором вещество, теряемое мишенью, имеет состав, идентичный объемному.