Автореферат (Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью)

На правах рукописиИешкин Алексей ЕвгеньевичПроцессы формирования газовых кластерных ионови их взаимодействия с поверхностью01.04.04 – физическая электроникаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2015Работа выполнена на кафедре физической электроники Физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессорЧерныш Владимир СавельевичОфициальные оппоненты:Быков Виктор Александрович,доктор технических наук, профессор,ген.

директор ЗАО «НТ МДТ», Зеленоград.Афанасьев Виктор Петрович,доктор физико-математических наук, профессор,профессор каф. ОФиЯС, МЭИ, Москва.Ведущая организация:ФГБОУВПО«Московскийисследовательский университет)»авиационныйинститут(национальныйЗащита состоится «04» июня 2015 года в 15-30 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 на базе Московского государственного университета имениМ.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 2,Физический факультет МГУ, ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан «2» апреля 2015 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2Общая характеристика работы.Актуальность исследований.Интерес к процессам, определяющим взаимодействие ускоренных ионов споверхностью твердого тела, обусловлен огромной ролью, которую пучкизаряженных частиц играют в современных фундаментальных исследованиях ипрактических приложениях. В последние десятилетия особенно активно в этойобласти развивается направление, связанное с изучением кластерных ионов.Кластер – это совокупность атомарных или молекулярных частиц, отнескольких единиц до нескольких десятков тысяч.

В случае газовых кластеров(ArN, (N2)N, (CO2)N и т.д.) частицы удерживаться вместе Ван-дер-Ваальсовскимисилами, энергия которых составляет порядка 10 мэВ. Эта величина гораздоменьше энергии связи атомов в кристаллах, что во многом определяет механизмыпроцессов при столкновении кластерного иона с поверхностью. Понятно, чтовзаимодействие ионизированного кластера с твердым телом коренным образомотличается от взаимодействия атомного иона при тех же условиях.Преждевсего,приударекластераоповерхностьодновременновзаимодействует большое количество атомов.

Это делает неприменимой теориюпарных столкновений Зигмунда, описывающую взаимодействие в случаеатомарного иона. На каждый из атомов ускоренного кластера приходитсянебольшая доля всей его энергии. Однако поскольку кластер, в отличие отмономера, не проникает вглубь кристалла, вся эта энергия выделяется локально внебольшом приповерхностном слое. Таким образом, при облучении поверхностикластерными ионами можно ожидать эффекты, не проявляющиеся в случаеатомарных ионов.Пучки заряженных кластеров уже нашли практическое применение длямодификации свойств поверхности и её анализа.

Так, они используются дляпрецизионной бездефектной полировки и травления подложек. При этом, каксчитается, ключевую роль играет характерное для кластерных ионов угловоераспределение распыленного вещества. Поскольку энергия ускоренного кластера3выделяется в небольшой области на поверхности, кластеры применяются дляповышения эффективности химических реакций.

Кластерные ионы используютсядляимплантациивеществанамалуюглубину,дляосаждениявысококачественных тонких пленок. Использование пучка кластерных ионов вкачестве зонда повышает точность и чувствительность исследования состававещества на основе методики вторичной ионной масс-спектрометрии.Однако процессы взаимодействия ускоренных кластеров с твердыми теламиостаютсямалоизученными.Вчастности,отсутствуютсистематическиеэксперименты по исследованию угловых распределений распыленного вещества.Неизвестны особенности взаимодействия с многокомпонентными мишенями –угловые распределения распыленных элементов, закономерности сегрегации,селективного распыления.Понятно,чтодляизученияэтихпроцессовнеобходимообладатьинструментом, позволяющим получать пучки кластерных ионов с заданнымисвойствами.

Поэтому целью данной работы являлось получение пучковзаряженных газовых кластерных ионов и изучение закономерностей ихвзаимодействия с одно- и многокомпонентными мишенями.Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующиезадачи: Получениеускоренныхгазовыхкластерныхионовврежимеимпульсной подачи рабочего газа. Разработка методики визуализации сверхзвуковых газовых струй вусловиях ускорителя газовых кластеров. Исследование свойств потокагаза, истекающего из сверхзвукового сопла, и оптимизация системыформирования кластеров. Разработкасистеманализакластерных ионовиисследованиеособенностей импульсных пучков кластерных ионов различных газов. Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействияускоренных газовых кластерных ионов с одно- и многокомпонентными4мишенями.Разработкаподходовкописаниюполученныхзакономерностей.Научная новизна. Полученыновыеэкспериментальныеданныеоструктуресверхзвуковой струи в условиях формирования кластеров. Изучены и объяснены закономерности формирования кластеровразличных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа, показанароль буферного объема между импульсным клапаном и критическимсечением сопла. Впервые получены угловые распределения распыленного кластернымиионами вещества, отличные от латеральных.

Для их объясненияпредложена модель, учитывающая упругие свойства мишени. Впервые получены угловые распределения распыленного вещества вслучаераспылениямногокомпонентныхмишенейкластернымиионами. Показана нестехиометричность распыленного под различнымиуглами вылетавещества. Обнаружено, что элементы мишени,имеющие наибольшую атомную массу, эмитируются под большимиуглами.Научная и практическая ценность. Разработанная методика визуализации сверхзвуковой струи в условияхформированиякластеровпозволяетпроводитьоптимизациюисточников кластерных ионов. Данные, полученные на основе разработанной методики, вносят вкладв понимание влияния формы сопла и конденсации газа на структурусверхзвуковой газовой струи. Обнаружены и объяснены особенности формирования кластеровразличных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа.5 Данные об угловых распределениях, полученные в работе, ипредложенный механизм распыления важны для создания теориираспыления кластерными ионами. Получены данные, показывающие перспективность планаризациикластернымиионамиповерхностиматериаловсточностью,необходимой для создания современных устройств электроники,спинтроники, оптики и т.д.Достоверность результатов обеспечивается их многократной проверкой сиспользованием современной аппаратуры, а также совпадением с имеющимисяв литературе данными в случаях, если такое совпадение возможно.Апробация работы.Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российскихи международных конференциях: XVII Международная конференции по электростатическим ускорителями пучковым технологиям (Обнинск, 2008). Международная Конференция по физике взаимодействия заряженныхчастиц с кристаллами, ФВЗЧК (Москва, 2011, 2012, 2013, 2014). Научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладныеаспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ"(Москва, 2011). 25th International Conference on Atomic Collisions in Solids, ICACS-25(Kyoto, Japan, 2012). XXI международная конференция “Взаимодействие ионов споверхностью ВИП- 2013” (Звенигород, 2013). 26th International Conference on Atomic Collisions in Solids, ICACS-25(Debrecen, Hungary, 2014).6ПубликацииМатериалы диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемыхжурналах из перечня ВАК [A1-A4], а также в материалах и сборниках тезисовмеждународных конференций [A5-A15].Структура диссертации.Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения.

Работа содержит124 страницы печатного текста, 63 рисунка, 7 таблиц. Список литературывключает 110 наименований.Личный вклад автора.При участии авторы были разработаны и созданы системы анализа пучкакластерных ионов, исследованы закономерности импульсного режима работыускорителя газовых кластерных ионов, в том числе, массового составакластерного пучка. Автором самостоятельно исследованы и объясненызакономерности формирования кластеров в режиме импульсной подачи газа взависимости от вида рабочего газа.

Разработана система визуализациисверхзвуковой струи и проведены исследования истечения различных газов изсверхзвуковых сопел. Проведены эксперименты по распылению кластернымиионами и исследование приготовленных коллекторов с помощью методикиобратногорезерфордовскогорассеяния,атакжеанализполученныхэкспериментальных данных.Содержание диссертации.Во введении дано обоснование актуальности темы представленнойработы, сформулированы цели исследования, показана новизна и значимостьработы, изложены выносимые на защиту положения, а также приведенысведения об апробации работы.7В главе 1 дается обзор экспериментальных и теоретических работ попроблемам получения пучков заряженных кластеров и исследованию ихвзаимодействия с поверхностью твердых тел.В обзоре рассмотрена динамика истечения газа из сверхзвукового сопла ипоказано, что в таком потоке возможно формирование кластеров.