Распыление твердых тел ионами инертных и химически активных газов при фазовых превращениях

На правах рукописиБачурин Владимир ИвановичРАСПЫЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ИОНАМИ ИНЕРТНЫХ ИХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ГАЗОВ ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ01.04.04 - физическая электроникаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико - математических наукМосква – 2007Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорМартыненко Юрий Владимировичдоктор технических наук, профессорАкишин Анатолий Ивановичдоктор физико-математических наук, профессорБорисов Анатолий МихайловичВедущая организация :Московский авиационный институт(Государственный технический университет)Защитасостоитсядиссертационного04октябрясовета2007Д.051.001.66годаприв1600часовМосковскомназаседаниигосударственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинскиегоры, МГУ, д.1, стр.2, физический факультет, аудитория 5-19С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “____”_____________2007 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.66,доктор физико-математических наукЕршов А.П.3ВВЕДЕНИЕАктуальность темыПри взаимодействии ускоренных ионов с поверхностью твердых тел происходятпроцессы, представляющие как научный, так и практический интерес. Передача энергииионов атомам мишени сопровождается поверхностными нарушениями и возникновениемобласти каскада соударений атомов, глубина залегания которой определяется энергиейпадающих ионов. При этом происходит эмиссия атомных частиц в основном(распыление), возбужденном (ионно-фотонная эмиссия) и заряженном (вторично-ионнаяэмиссия) состояниях.

Такие частицы несут информацию о составе поверхностных слоев,широко применяются для анализа поверхности твердых тел и напыления тонких пленок, втом числе, различных упрочняющих покрытий.Ионная бомбардировка поверхности приводит к развитию рельефа, изменениюкристаллической структуры и состава многокомпонентных мишеней. В случаеприменения в качестве первичных химически активных ионов в приповерхностном слоепроисходит образование химических соединений.

При этом свойства модифицированныхслоев могут существенно отличаться от объемных свойств твердого тела. В частности, ихформирование приводит к увеличению эмиссии вторичных ионов и замедлению ростамикрорельефа на поверхности. Этот результат широко применяется во вторично-ионноймасс-спектрометрии (ВИМС) для повышения чувствительности и улучшения послойногоразрешения при анализе различных структур.

Учитывая легкость управления параметрамиионного пучка (тип, энергия, плотность тока и др.), распыление твердых тел ионамихимически активных газов также можно рассматривать в качестве инструмента длясоздания поверхностных слоев с заданными свойствами.В последнее время большое внимание уделяется исследованию процессовформирования волнообразного рельефа (ВР) на поверхности твердых тел при ионномоблучении.

Экспериментально установлено, что параметры рельефа (длина волны,амплитуда), а также доза облучения, при которой он зарождается, зависят от типа ионов иусловий бомбардировки. Изучавшийся вначале, как фактор, снижающий послойноеразрешение при ВИМС анализе, ВР (механизм образования которого еще не совсемпонятен) находит сегодня применение в нанотехнологиях в микроэлектронике и другихобластях.Неравновесные процессы, происходящие при распылении мишени ионамиинертных и химически активных газов, могут приводить к формированию различных фазинтерметаллических и химических соединений на границе раздела тонкопленочныхструктур или в тонких пленок в процессе их напыления. Исследование неравновесных4процессов важно для разработки технологии получения покрытий на поверхноститвердых тел, изменяющих микротвердость, износостойкость, коррозионную стойкостьматериалов.Таким образом, процессы, происходящие при распылении поверхности твердыхтел, находят широкое применение в современных технологиях и представляют научный ипрактический интерес.Несмотря на то, что взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел изучается втечение многих лет, механизмы некоторых явлений изучены недостаточно.

Дляраспыления одноэлементных материалов ионами инертных газов существует несколькомоделей, позволяющих рассчитывать коэффициенты распыления при различных углахпаденияпервичныхионов,энергетическоеипространственноераспределениераспыленных атомов. Однако, распыление как одно-, так и многокомпонентныхматериалов ионами химически активных газов (кислород, азот), которые применяются впрактическом ВИМС анализе, изучено недостаточно, как экспериментально, так итеоретически.До сих пор не создано единой теории формирования вторичных ионов. Отсутствиеясного понимания механизмов образования вторичных ионов создает большие проблемыдля проведения количественного анализа состава поверхности методом вторичной ионноймасс-спектрометрии.Поэтомунеобходимопроведениеэкспериментальныхитеоретических работ для оценки вкладов различных факторов во вторичную ионнуюэмиссию.Для лучшего понимания механизмов эмиссии атомных частиц представляютинтерес исследования, в которых эмиссия происходит с поверхности одного и того жеобразца, находящегося в различных фазовых состояниях, отличающихся известнымизменением небольшого числа параметров.

Это может осуществляться, например, прифазовыхпереходахпервогоивторогорода,когдапроисходитперестройкакристаллической и электронной структуры поверхностного слоя, а выход нейтральных изаряженных частиц практически не зависит от температуры внутри одной фазы. Изучениеособенностей эмиссии атомных частиц в области фазовых переходов позволяет, вопервых, оценить вклад ряда параметров, определяющих распыление нейтральных изаряженных частиц.

Во-вторых, дает возможность провести тестирование различныхмоделей распыления и вторичной ионной эмиссии.Важные сведения о механизмах эмиссии нейтральных и заряженных частиц можнополучить, применяя, в качестве первичных, ионы химически активных газов и изучаяугловые зависимости распыления. В этом случае при вариации угла падения ионов5изменяется химический состав и структура поверхностного слоя, из которого происходитэмиссия атомных частиц. Имеется небольшое количество работ, в которых изучаетсямодифицированный ионной бомбардировкой слой мишени для кислородных пучков. В тоже время, для анализа поверхности представляет интерес использование пучка ионовазота, формирования на ней рельефа и нитридов различных материалов (применяемых, втом числе в микроэлектронной технологии).

Это требует проведение дополнительныхисследований распыления поверхности ионами химически активных газов и сравнения срезультатами, полученными для ионов инертных газов.Цель и основные задачи работыЦелью работы явилось исследование особенностей распыления твердых телионами инертных и химически активных газов в условиях протекания в образцах фазовыхпревращений, в результате которых изменяется кристаллическая структура, магнитныесвойства и химический состав приповерхностных слоев.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.1. Экспериментальное и теоретическое исследование температурной зависимостикоэффициента распыления образцов в области полиморфного и магнитного фазовыхпереходов. Проведение, на основании общепринятых моделей распыления, анализавозможных причин изменения коэффициентов распыления.2. Изучение влияние фазовых переходов I и II рода на вторичную ионную эмиссиюс поверхности мишеней при использовании ионов инертных и химически активных газов.Оценка характера поведения полученных температурных зависимостей вторичной ионнойэмиссии с точки зрения существующих моделей образования вторичных ионов и данныхпо распылению образцов, структуры и состава слоя, модифицированного ионнойбомбардировкой.3.

Определение состава и структуры приповерхностного слоя образцов при ихоблучении ионами химически активных газов.4.Выявлениеособенностейиисследованиемеханизмовраспыленияполупроводников и диэлектриков ионами инертного и химически активного газа.5. Исследование влияния состава и структуры поверхности, модифицированнойионным облучением, на образование волнообразного рельефа. Построение моделизарождения ВР.6. Изучение процессов ионного перемешивания и фазообразования на границепленка – подложка, в том числе при повышенных температурах.7. Оценка влияния низкоэнергетичной бомбардировки ионами активного газа напроцесс напыления и свойства пленки, используемой в качестве упрочняющего покрытия.6Научная новизна работыВ работе впервые получены следующие основные результаты.1.

Изучено распыление 4f-переходного металла - гадолиния в области магнитногофазового перехода. Установлено, что при переходе в парамагнитное состояниекоэффициент распыления Gd увеличивается на 10-15%. Для монокристаллическогообразцаобнаруженузкиймаксимумтемпературнойзависимостикоэффициентараспыления (Y) в окрестности точки Кюри, более, чем в два раза, превосходящий значениеY в ферромагнитом состоянии.

Рассчитана добавка к потенциалу взаимодействия атомов вферромагнитном состоянии, вследствие косвенного обменного взаимодействия атомов GdПредложено объяснение увеличения коэффициента распылении при переходе через точкуКюри, которое связывается с уменьшением энергии связи атомов на поверхности из-заизменения потенциала взаимодействия атомов в парамагнитном состоянии.2. Исследовано поведение вторичной ионной эмиссии (ВИЭ) в области магнитногофазового превращения. Установлено, что при переходе образцов из ферро- впарамагнитное состояние происходит ступенчатое изменение ВИЭ, которое объясняетсяизменениями плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми и энергии связиатомов на поверхности. Знак изменений ВИЭ при магнитном фазовом превращенииявляется противоположным знаку изменения распыления.3.