Диссертация (Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью), страница 12

Этоподтверждает то факт, что механизм распыления кластерными ионамисущественноотличаетсяотобщепринятогокаскадногомеханизмараспыления атомарными ионами.Примолибденаиспользованиихарактервугловогокачествемишенираспределенияполикристаллическогораспыленноговеществасущественно изменился. Значительная часть эмитированных атомов быланаправлена вдоль нормали от поверхности (рис. 4.4 а). С увеличением угла88вылета от нормали наблюдалось немонотонное уменьшение коэффициентараспыления.При взаимодействии кластера с поверхностью одновременно большоеколичество атомов, составляющих кластер, взаимодействуют с таким же илибольшим количеством атомов мишени. При этом передается импульс откластера к атомам мишени.

Передача импульса определяется соотношениеммасс налетающих и покоящихся атомов. Атомная масса меди составляет64 а.е.м., а атомная масса молибдена 96 а.е.м. Поэтому описанные различияугловых распределений могут быть обусловлены эффектом массы.Для проверки этого предположения в качестве мишени был выбранполикристаллический индий, атомная масса которого 115 а.е.м.

Угловоераспределение, полученное в этом случае, показано на рис. 4.4 б. Как и вслучаемеди,оноимеетярковыраженныйлатеральныйхарактер.Следовательно, различие масс не является причиной аномального поведенияуглового распределения при распылении молибдена.Рис. 4.4. Угловые распределения атомов молибдена (а) и индия (б), распыленных прибомбардировкекластернымиионами.Распределениянормированыназначениякоэффициента распыления при  = max.

Дозы облучения 2,6·1017 см-2 и 1,9·1017см-2,соответственно.89Дляописанияиспользовалосьполученноговыражениеугловоговида(4.1),распределениякоторыммолибденааппроксимировалисьзначения коэффициента распыления при углах   50. Наилучшееприближение было получено при показателе степени n = 5. Затем этовыражение вычиталось из экспериментально полученного распределения. Изрис. 4.4 а видно, что оставшаяся после вычитания часть потока распыленноговещества направлена вдоль нормали от поверхности мишени. Эта частьпотока также хорошо аппроксимируется степенным косинусным законом:Yd    Yd0 cos m  ,где Y0–(4.2)коэффициент распыления вдоль нормали, а показатель степениm = 11.Таким образом, экспериментальное угловое распределение в случаемолибдена хорошо описывается выражениемY    Y0 cos n    max   Yd0 cosm  .Первоеслагаемоевэтомвыражениисвязано(4.3)слатеральнымраспылением.

Для объяснения физического смысла второго слагаемогопредложена следующая модель.На ранней стадии столкновения ближайшие к поверхности мишениатомы кластера замедляются, взаимодействуя с атомами мишени. В то жевремя, на них действуют атомы следующих слоев кластера. В результате,кластер оказывает на поверхность давление в направлении своего движения.Оценку этого давления можно провести, зная размер кластера d и егоэнергию:==при этом изменение импульса ∆ = √2∆ /∆/,, а время взаимодействия ∆ =.90Поперечный размер кластера, состоящего из тысячи атомов аргона,составляет приблизительно d = 4 нм. При энергии E, соответствующейускоряющему напряжения 10 кэВ получаем значение давления в 10 Мбар привремени взаимодействия 1 пс.Наследующейстадиивзаимодействияслабосвязанныйкластерразрушается (атомизируется), переставая оказывать давление на мишень.При этом атомы мишени в области столкновения обладают значительнойэнергией, недостаточной, однако, чтобы покинуть тело.

Начинаетсярелаксация сжатия мишени. Возникающая сила направлена от поверхности ипропорциональна модулю упругости кристалла. Величины этой силыдостаточнодлятого,чтобысообщитьатомаммишениэнергию,необходимую для их эмиссии.В табл. 4.1 приведены величины модуля упругости материалов,использованных в экспериментах. Значение модуля упругости для молибденапревосходит значение для других материалов. Поэтому в случае молибденавклад потока, направленного вдоль нормали от поверхности и описываемогоуравнением (4.2), в общий поток распыленных частиц, наиболее ярковыражен.

Потоки вдоль нормали для всех трех мишеней приведены нарис. 4.5.Модуль Атомная Энергияупругостимассасвязи112Вещество (10 Н/м ) (а.е.м.)(эВ)Cu1,37643,49Mo2,725966,82In0,4111152,6Cd1,161121,16W3,231848,66Ni1,86594,44Pd1,811063,89Re3,231868,03Таблица4.1.Некоторыехарактеристикииспользованныхвэкспериментахматериалов.91Рис.4.5.Угловыезависимостикоэффициентараспыления,описываемоговыражением (4.2). Для каждой мишени выход нормирован на значение при  =max.В качестве примера изменения рельефа мишени под действиемоблучения кластерными ионами приведем атомно-силовые изображениямеди до и после облучения, рис.

4.6. Видно, что шероховатость существенноснизилась. Аналогичные изображения были получены для всех материаловмишени. Из этих результатов можно сделать вывод, что экспериментальныеугловые распределения не связаны с развитием рельефа поверхности поддействиембомбардировки,аявляютсяпроявлениемпроцессов,происходящих при взаимодействии кластерного иона с веществом мишени.Рис. 4.6. АСМ-изображения поверхности меди до и после облучения кластерными ионами.92Эксперименты, проведенные с кадмием и вольфрамом, подтверждаютвыводы о зависимости характера углового распределения от упругих свойствмишени. Результаты этих экспериментов представлены на рис.

4.7. Угловоераспределение распыленного кадмия, который имеет малое значение модуляупругости, чисто латеральное. Угловое распределение вольфрама, модульупругости которого наибольший из исследованных, имеет значительныйкоэффициент распыления вдоль нормали Yd0. Однако отношение выходавдоль нормали к латеральному выходу имеет меньшее значение, чем длямолибдена.Вероятно,это обусловлено различиеммассMoи W.Кинематический коэффициент передачи энергии при упругом соударениичастиц массой M1 и М2 определяется формулой=(+)Более тяжелому вольфраму от кластерного иона передается меньшийимпульс, чем молибдену. Поэтому и сила, возникающая при релаксацииупругого сжатия, в случае вольфрама имеет меньшее значение.Рис.

4.7. Угловые распределения атомов кадмия (а) и вольфрама (б), распыленных прибомбардировкекластернымиионами.Распределениянормированыназначениякоэффициента распыления при  =max.934.4. Угловые распределения при распылении многокомпонентныхмишеней.Экспериментыпораспылениюмногокомпонентныхматериаловпроводились с использованием мишеней NiMoRe (86:10,5:13,5) и NiPd (1:1).Угловые распределения компонентов, распыленных из NiPd показаны нарис.

4.8а,б.Экспериментальныерезультатытакжехорошоаппроксимируются формулой (4.3). Вклады латерального распыления ираспыления вдоль нормали приблизительно одинаковы. Оценка, сделаннаяинтегрированием углового распределения компонент по углам эмиссии,показала, что интегральный состав распыленного вещества приблизительносоответствует составу мишени.

Следовательно, при распылении достигаетсястационарный режим.Относительный выход компонентов показан на рис. 4.8 в. Как видно изрисунка, никель распыляется преимущественно под малыми углами эмиссии,а палладий – под большими углами эмиссии. Данная зависимость близка каналогичной зависимости, полученной в случае распыления сплава NiPd прибомбардировке атомными ионами Ar+ [107], хотя в случае распылениякластерными ионами эта зависимость более выражена.Угловые зависимости для NiMoRe показаны на рис. 4.9 а. Распределениеникеля имеет максимум вблизи нормали, в то время как распределения двухдругих компонентов ближе к латеральным.

Таким образом, распределенияраспыленных атомов по углам нестехиометричны. Действительно, какпоказано на рис. 4.9, б, никель преимущественно распыляется под малымиуглами от нормали, в то время как более тяжелые компоненты (молибден ирений) распыляются под большими углами эмиссии. Нужно отметить, чтораспыление того же сплава атомарными ионами Ar+ дало противоположнуюзависимость относительного выхода распыленных частиц [108].94Рис. 4.8.

(а) Угловое распределение атомов никеля, распыленных из сплава NiPdкластерными ионами; (б) Угловое распределение атомов палладия, распыленных изсплава NiPd кластерными ионами; (в) Зависимость относительного выхода компонентов,распыленных из сплава NiPd кластерными ионами от угла эмиссии. Также представленааналогичная зависимость для случая распыления атомарными ионами Ar+ [107].95Известно, что при бомбардировкеатомарными ионами угловаязависимость определяется соотношением между поверхностными энергиямисвязи компонентов мишени. Элементы сплава с меньшей энергией связисегрегируют на поверхность и распыляются преимущественно вдоль нормалик поверхности.В случае бомбардировки кластерными ионами эксперименты показали,что вблизи нормали распыляютсялегкиеэлементы независимо отсоотношения энергии связи. Аналогичная ситуация наблюдалась прираспылении сплавов низкоэнергетичными ионами [109].

Для объясненияситуации требуются дополнительные теоретические и экспериментальныеисследования.Рис. 4.9. (а) Угловые распределения атомов, распыленных из сплава NiMoReкластерными ионами; (б) Зависимость относительного выхода компонентов, распыленных изсплава NiMoRe кластерными ионами от угла эмиссии. Также представлена аналогичнаязависимость для случая распыления атомарными ионами Ar+ [108].96Как и при облучении однокомпонентных мишеней, рельеф поверхностивсех образцов существенно сгладился.

В качестве примера на рис. 4.10приведены АСМ-изображения поверхности NiMoRe до и после облучения.Рис. 4.10. АСМ-изображения поверхности NiMoRe до и после облучения кластернымиионами.Параметры аппроксимации экспериментальных угловых распределений поформуле (4.3) приведены в таблице 4.2.Yd0/Y0TargetCuInMoWNiPdNiPdNiPd1.130.831.110.96n20205846θmax (°)686450555064m11845Таблица. 4.2. Параметры аппроксимации экспериментальных угловых распределенийпо формуле (4.3).974.5. Выводы по главе 4. Впервые показано, что угловые распределения распыленногокластерными ионами вещества могут отличаться от латеральных. Предложенамодельраспылениякластернымиионами,учитывающая упругие свойства вещества мишени.