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

Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова.Физический ФакультетНа правах рукописиИешкин Алексей ЕвгеньевичПроцессы формирования газовых кластерных ионови их взаимодействия с поверхностью01.04.04. – физическая электроникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наук.Научный руководительдоктор физ.-мат. наук, профессорВ.С. ЧернышМосква, 2015.Содержание.Содержание....................................................................................................................................

2Введение. ....................................................................................................................................... 4Глава 1. Обзор литературы............................................................................................................ 91.1.Принципы формирования пучка газовых кластерных ионов. .......................................

91.1.1. Расширение газа через сверхзвуковое сопло. ............................................................. 101.1.2. Экспериментальные исследования потока газа, выходящего из сопла. .................. 191.1.3. Формирование потока ионизированных кластеров. ................................................. 251.2.Взаимодействие атомарных и кластерных ионов с поверхностью. ............................ 291.2.1. Общие характеристики взаимодействия. ................................................................

291.2.2. Взаимодействие атомарных ионов с поверхностью. ............................................... 311.2.3. Взаимодействие кластерных ионов с поверхностью................................................ 381.3.Выводы по главе 1. ........................................................................................................ 52Глава 2. Ускоритель газовых кластерных ионов: режим импульсной подачи газа.

................. 532.1. Описание экспериментальной установки......................................................................... 532.2. Системы анализа пучка. .................................................................................................... 572.3. Особенности импульсного режима работы......................................................................

592.4. Выводы по главе 2............................................................................................................. 69Глава 3. Визуализация потока газа из сверхзвукового сопла. ................................................... 703.1. Постановка задачи............................................................................................................. 703.2. Методика эксперимента. ................................................................................................... 713.3. Исследование истечения газа из сверхзвукового сопла.

................................................. 743.3.1. Кольцевой электрод. ................................................................................................... 743.3.2. Плоские электроды..................................................................................................... 763.4. Выводы по главе 3............................................................................................................. 83Глава 4.

Угловые распределения атомов при распылении кластерными ионами. ................... 844.1 Постановка задачи.............................................................................................................. 844.2 Методика эксперимента. .................................................................................................... 854.3 Угловые распределения при распылении однокомпонентных мишеней. ....................... 874.4. Угловые распределения при распылении многокомпонентных мишеней. .................... 944.5. Выводы по главе 4............................................................................................................. 98Глава 5.

Сглаживание рельефа поверхности при облучении кластерными ионами................. 995.1 Постановка задачи.............................................................................................................. 995.2 Методика эксперимента.

.................................................................................................. 10025.3 Результаты и обсуждение. ............................................................................................... 1014.5. Выводы по главе 5........................................................................................................... 111Заключение.

............................................................................................................................... 112Список литературы.................................................................................................................... 1143Введение.Актуальность исследований.Интерес к процессам, определяющим взаимодействие ускоренных ионовс поверхностью твердого тела, обусловлен огромной ролью, которую пучкизаряженных частиц играют в современных фундаментальных исследованияхи практических приложениях.

В последние десятилетия особенно активно вэтой области развивается направление, связанное с изучением кластерныхионов.Кластер – это совокупность атомарных или молекулярных частиц, отнескольких единиц до нескольких десятков тысяч. В случае газовыхкластеров (ArN, (N2)N, (CO2)N и т.д.) частицы удерживаться вместе Ван-дерВаальсовскими силами, энергия которых составляет порядка 10 мэВ.

Этавеличина гораздо меньше энергии связи атомов в кристаллах, что во многомопределяет механизмы процессов при столкновении кластерного иона споверхностью. Понятно, что взаимодействие ионизированного кластера ствердым телом коренным образом отличается от взаимодействия атомногоиона при тех же условиях.Прежде всего, при ударе кластера о поверхность одновременновзаимодействует большое количество атомов. Это делает неприменимойтеорию парных столкновений Зигмунда, описывающую взаимодействие вслучае атомарного иона.На каждый из атомов ускоренного кластера приходится небольшая долявсей его энергии. Однако поскольку кластер, в отличие от мономера, непроникает вглубь кристалла, вся эта энергия выделяется локально внебольшом приповерхностном слое.

Таким образом, при облученииповерхностикластернымиионамиможноожидатьэффекты,непроявляющиеся в случае атомарных ионов.Пучки заряженных кластеров уже нашли практическое применение длямодификации свойств поверхности и её анализа. Так, они используются для4прецизионной бездефектной полировки и травления подложек. При этом, каксчитается, ключевую роль играет характерное для кластерных ионов угловоераспределение распыленного вещества. Поскольку энергия ускоренногокластера выделяется в небольшой области на поверхности, кластерыприменяютсядляповышенияэффективностихимическихреакций.Кластерные ионы используются для имплантации вещества на малуюглубину, для осаждения высококачественных тонких пленок.

Использованиепучкакластерныхионоввкачествезондаповышаетточностьичувствительность исследования состава вещества на основе методикивторичной ионной масс-спектрометрии.Однако процессы взаимодействия ускоренных кластеров с твердымителамиостаютсямалоизученными.Вчастности,отсутствуютсистематические эксперименты по исследованию угловых распределенийраспыленноговещества.Неизвестныособенностивзаимодействиясмногокомпонентными мишенями – угловые распределения распыленныхэлементов, закономерности сегрегации, селективного распыления.Понятно, что для изучения этих процессов необходимо обладатьинструментом, позволяющим получать пучки кластерных ионов с заданнымисвойствами.Поэтому целью данной работы являлось получение пучков заряженныхгазовых кластерных ионов и изучение закономерностей их взаимодействия содно- и многокомпонентными мишенями.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: Получение ускоренных газовых кластерных ионов в режимеимпульсной подачи рабочего газа. Разработка методики визуализации сверхзвуковых газовых струй вусловиях ускорителя газовых кластеров.

Исследование свойствпотока газа, истекающего из сверхзвукового сопла, и оптимизациясистемы формирования кластеров.5 Разработка систем анализа кластерных ионов и исследованиеособенностей импульсных пучков кластерных ионов различныхгазов. Экспериментальноеисследованиезакономерностейвзаимодействия ускоренных газовых кластерных ионов с одно- имногокомпонентнымимишенями.Разработкаподходовкописанию полученных закономерностей.Научная новизна. Полученыновыеэкспериментальныеданныеоструктуресверхзвуковой струи в условиях формирования кластеров. Изучены и объяснены закономерности формирования кластеровразличных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа,показана роль буферного объема между импульсным клапаном икритическим сечением сопла. Впервыеполученыугловыераспределенияраспыленногокластерными ионами вещества, отличные от латеральных.

Для ихобъяснения предложена модель, учитывающая упругие свойствамишени. Впервыеполученыугловыераспределенияраспыленноговещества в случае распыления многокомпонентных мишенейкластернымираспыленногоионами.подПоказанаразличныминестехиометричностьугламивылетавещества.Обнаружено, что элементы мишени, имеющие наибольшуюатомную массу, эмиттируются под большими углами.Научная и практическая ценность. Разработанная методика визуализации сверхзвуковой струи вусловияхформированиякластеровпозволяетпроводитьоптимизацию источников кластерных ионов.6 Данные, полученные на основе разработанной методики, вносятвклад в понимание влияния формы сопла и конденсации газа наструктуру сверхзвуковой газовой струи. Обнаружены и объяснены особенности формирования кластеровразличных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа. Данные об угловых распределениях, полученные в работе, ипредложенный механизм распыления важны для создания теориираспыления кластерными ионами. Получены данные, показывающие перспективность планаризациикластерными ионами поверхности материалов с точностью,необходимой для создания современных устройств электроники,спинтроники, оптики и т.д.Достоверностьрезультатовобеспечиваетсяихмногократнойпроверкой с использованием современной аппаратуры, а также совпадениемс имеющимися в литературе данными в случаях, если такое совпадениевозможно.Апробация работы.Основные результаты работы докладывались и обсуждались нароссийских и международных конференциях: XVIIМеждународнаяконференциипоэлектростатическимускорителям и пучковым технологиям (Обнинск, 2008). МеждународнаяКонференцияпофизикевзаимодействиязаряженных частиц с кристаллами, ФВЗЧК (Москва, 2011, 2012,2013, 2014). Научно-практическаяприкладныеконференция"Фундаментальныеиаспекты инновационных проектов Физическогофакультета МГУ" (Москва, 2011).7 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).Структура диссертации.Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения.