4.2. Распыление ионной бомбардировкой: общие понятия

Поверхности твердых тел разрушаются под действием ионной бомбардировки. Скорость эрозии характеризуется в первую очередь выходом продуктов распыления Y, который определяется следующим образом:

Выход продуктов распыления зависит от структуры и состава материала мишени, параметров ионного пучка и геометрии эксперимента. Измеряемые значения Y охватывают диапазон в семь порядков; однако для ионов средней массы с энергией в несколько килоэлектронвольт, представляющих наибольший интерес в изучении профилей глубины, значения Y лежат между 0,5 и 20. Выход распыления в случае легких ионов с энергией в несколько мегаэлектронвольт составляет порядка для большинства веществ. Следовательно, обратное рассеяние Резерфорда сопровождается распылением лишь малой части монослоя за время длительности типичного измерительного эксперимента (см. разд. 3.11).

Теория точно предсказывает выходы продуктов распыления для химически простых веществ. На рис. 4.2 показана зависимость выхода распыления

Рис. 4.2. а — зависимость выхода распыленного от энергии налетающих ионов б — зависимость выхода распыленного от атомного номера ионов, налетающих с фиксированной энергией 45 кэВ. Сплошной линией изображены результаты расчета Зигмунда [14], экспериментальные данные взяты из работы [2].

от энергии и атомного номера налетающих ионов. Экспериментальные значения находятся в хорошем согласии с расчетной кривой [14], изображенной на рисунке сплошной линией, и объясняются механизмом ядерных потерь энергии и перераспределением этих потерь среди большого числа атомов, участвующих в каскаде столкновений. Для любой заданной комбинации ион-мишень желательно пользоваться табличными данными или определять выход продуктов распыления экспериментально. В конце этой главы приведен большой список обзоров и книг по распылению.

В процессе распыления атомы выбиваются из наружных поверхностных слоев. Налетающий ион передает свою энергию при столкновениях атомам мишени, которые отскакивают с энергией, достаточной для образования других атомов отдачи (рис. 4.3). Некоторые из таких вторичных атомов отдачи выбиваются в обратном направлении (примерно 1—2 таких атома на один ион с энергией 20 кэВ, падающий на кремниевую мишень) и достигают поверхности с энергией, позволяющей им покинуть твердое тело. Именно эти вторичные продукты многократных столкновений и образуют большую часть выхода распыления. Например, при падении ионов на прямой отскок атома мишени назад в направлении поверхности запрещен кинематикой, так же, как и обратное рассеяние ионов (см. гл. 2). Процесс распыления включает сложную последовательность соударений (каскад столкновений) с изменением направления движения и обменом энергией между большим числом атомов твердого тела. На компьютере можно промоделировать процесс распыления как ряд бинарных столкновений, но такое моделирование не позволяет установить прямую зависимость распыления от различных экспериментальных параметров. Другой подход к этой проблеме основан на теории переноса, в рамках которой рассматривается динамика каскада столкновений и выводится полный поток энергии в обратном направлении. Этот вывод выходит за рамки данной книги. Однако мы получим выражения для важнейших параметров на основе представлений о механизме ядерных потерь энергии. Очевидно, самым важным параметром процесса является количество энергии, поглощаемой на поверхности.

Рис. 4.3. Схема взаимодействия иона с твердым телом в процессе распыления. — первичный ион; 2 — вакуум; 3 — твердое тело; 4 — имплантированный ион; 5 — глубина проникновения первичного иона ; 6 — продукт распыления (ион или нейтральная частица).

Выход продуктов распыления должен быть пропорционален числу смещенных или отскочивших атомов. В случае линейного каскада, характерного для ионов средней массы (таких, как ), число атомов отдачи пропорционально ядерным потерям энергии на единицу толщины. Тогда при нормальном падении частиц на поверхность выход продуктов распыления можно представить в виде

где описывает все свойства вещества, включая энергию поверхностной связи, есть плотность поглощаемой на поверхности энергии и зависит от вида, энергии и направления движения иона и от параметров мишени

Поглощаемую на поверхности энергию можно представить в виде

где N — концентрация атомов мишени, — сечение ядерного торможения, — ядерные потери энергии. В равенстве (4.3) а является поправочным множителем, который учитывает угол падения пучка по отношению к поверхности и вклад рассеяния на большие углы, который не рассматривался прежде. Выход продуктов распыления будет получен в разд. 4.4.

Вычисление основано на знании сечения передачи энергии атому мишени при столкновении. В режиме распыления с энергиями порядка килоэлектронвольт скорость частицы намного меньше скорости Бора, и поэтому при описании столкновений должна учитываться экранировка заряда ядра электронами. Для вычисления выхода продуктов распыления необходимо сначала получить экранированный потенциал в приближении Томаса — Ферми (разд. 4.9), а затем на его основе вывести сечение столкновения и в конечном счете сечение ядерного торможения (разд. 4.3).