Диссертация (1104349), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Далее будут рассмотрены особенности процессов, происходящихпри облучении твердого тела атомарными ионами и кластерными ионами.1.2.2. Взаимодействие атомарных ионов с поверхностью.Преждевсего,рассмотримпроцессраспылениятвердоготелаатомарными ионами. Простейшей моделью такого процесса является моделькаскада упругих столкновений [51]. Каскадный механизм распыления можноописать следующим образом. До столкновения иона с поверхностью всеатомы твердого тела считаются неподвижными.
Налетающий ион выбиваетатом из узла решетки, рассеиваясь на нем. В результате образуются дведвижущиеся частицы: ион и смещенный атом. Каждая из них, в свою31очередь, способна привести к смещению следующих атомов. Таким образом,формируется каскад атомных столкновений. Атомы отдачи, оказавшиесявблизи поверхности и имеющие энергию, достаточную для преодоленияпотенциального барьера, покидают тело, формируя поток распыленныхчастиц.Можно выделить три качественно различных случая: режим первичногопрямого выбивания, режим линейных каскадов, режим тепловых пиков(Рис.
1.12). В первом из них атомы, выбитые из положения равновесия,получают энергию, достаточную для того, чтобы покинуть тело, нонедостаточную, чтобы образовать каскад. Во втором случае, каскадобразуется, но доля движущихся атомов в области каскада невелика, так чтопроисходят столкновения в основном с неподвижными атомами.
В третьемслучае доля движущихся частиц значительна, и вероятно столкновение двухдвижущихся частиц. В режиме тепловых пиков сказывается нелинейность,проявляющаяся в том, что при перекрытии двух интенсивных каскадовсущественно возрастает доля атомов, способных преодолеть поверхностныйбарьер. Следовательно, коэффициент распыления двухатомными молекуламиможет существенно превышатьудвоенный коэффициент распылениясоответствующими атомами [54].Приближенноможносказать,чторежимпрямоговыбиванияреализуется при энергиях ионов, составляющих единицы и десятки эВ (длясамых легких ионов – до нескольких кэВ). Область линейных каскадовсоответствует энергиям от единиц кэВ до МэВ для всех ионов, кроме самыхтяжелых, которые создают при этих энергиях тепловые пики.32Рис. 1.12. Режимы распыления в модели упругих столкновений: а) режимпервичного прямого выбивания, б) режим линейных каскадов, в) режим тепловых пиков.Распыление в области линейных каскадов хорошо описывается теориейраспыления Зигмунда [55].
Она основана на следующий предположениях:каждый из атомов мишени до столкновения с ионом или атомом отдачипокоился, мишень – бесконечная и бесструктурная, взаимодействие частицявляется упругим. Решая уравнение Больцмана в данных предположения,можно получить, в частности, следующие результаты:( , )~()cos( ),(1.12)где N – объемная плотность атомов мишени, Ed – энергия, выделяемая ионом наединице длины, E’ – энергия распыленного атома, U – энергия удаления атома споверхности.
Из формулы (1.12) следует, что коэффициент распылениянемонотонно изменяется с увеличением атомного номера элемента мишени. НаРис. 1.13 показаны коэффициенты распыления ионами криптона различныхвеществ и величина, обратная поверхностной энергии связи этих веществ [56].33Рис. 1.13. Коэффициенты распыления ионами криптона в зависимости от атомногономера элемента мишени (а) и величина, обратная поверхностной энергии связи атома вданной мишени (б).Как указано выше, тяжелые ионы и молекулы создают плотные каскады,описание которых выходит за рамки линейной теории. Остановимся на двухтеориях, описывающих распыление в этом случае.Теория тепловых пиков [57] рассматривает плотный газ, образующийся вцилиндрической области теплового пика вдоль трека налетающего иона.Распределение температуры, зависящее от расстояния до оси, эволюционируетсо временем.
При этом для количества испарившихся атомов получаетсяформула( )~() cos( ) ,(1.13)а зависимость Y(E’) оказывается более сложной. Сравнение линейного инелинейного вкладов показывает, что нелинейное распыление существенно,если значение линейного коэффициента распыления превышает 10.34В модели ударных волн [58] рассматривается сферическая ударная волна,образованная атомами отдачи. Если скорость атомов отдачи превосходитскорость звука в среде, фронт каскада сжимает окружающее вещество внаправлении от каскада.
Такой процесс представляет собой распространениеволны сжатия. Достигает поверхности, волна отражается от нее. Если давлениепри этом превосходит некоторое критическое значение, происходит разгрузка,которая и приводит к распылению. В рамках этой модели значениекоэффициента распыления оказывается пропорциональным (Ed)3/2.На практике часто происходит распыление не однокомпонентныхмишеней, а многокомпонентных. Основным эффектом в этом случае являетсяселективное распыление, впервые наблюдавшееся Гиламом при распылениисплава Cu3Au [59].
При селективном распылении вследствие различия масс иэнергий связи преимущественно распыляется один из компонентов мишени. Наповерхности образуется слой с составом, отличным от объемного. Сувеличением дозы облучения количество этого компонента на поверхностиуменьшается настолько, что при дальнейшем распылении состав удаленноговещества соответствует объемному составу мишени.
Это означает достижениестационарного режима распыления. Отношение парциальных коэффициентовраспыления определяется формулой [51]:=,(1.14)где С – объемная концентрация данного компонента, M – молярная масса, m –расчетный параметр.Возникаетвопрос,насколькосоставраспыленноговеществастехиометричен по углам вылета. Первые работы, выполненные при энергиях внесколько сотен эВ (режим первичного выбивания) [60-62], показали, что подуглами, близкими к нормали, преимущественно распыляются более легкиеэлементы. Это объясняется тем, что получив энергию от налетающего иона,35легкий атом может отразиться от более тяжелого, расположенного в глубинемишени.Позднее было теоретически показано, что на соотношение коэффициентовраспыления компонентов мишени в зависимости от угла оказывает влияниеградиент концентрации элементов по нормали к поверхности [63].
При этоматомы, распыляющиеся из второго слоя, имеют более узкое угловоераспределение, так как покидая мишень, «фокусируются» на атомах верхнегослоя (Рис. 1.14).Рис. 1.14. Распыление многокомпонентной мишени.Как было показано, на состав приповерхностных слоев оказывает влияниеселективное распыление. В случае распыления CuPt вследствие этого эффекта,в соответствии с формулой (1.14) поверхность должна обогащаться платиной, иугловое распределение этого элемента должно оказаться шире. Однакоэкспериментальные исследования, выполненные при энергии падающих ионов80 кэВ (каскадный режим) показали, что угловое распределение платины в этомслучае уже, чем распределение меди [64].
Для объяснения этого результатабылапредложенамодельрадиационно-стимулированнойгиббсовскойсегрегации меди [65]. Медь, имеющая меньшую по сравнению с платинойэнергию поверхностной связи, под действием облучения сегрегирует наповерхность, создавая обогащенный слой. Таким образом, формируется болееширокое распределение распыленной меди по углам. Влияние радиационно-36стимулированной сегрегации подтверждено с использованием многих сплавов[66-69].Рассмотрим далее закономерности формирования на поверхности мишенирельефа под действием ионного облучения. Надо отметить, что характеррельефа очень чувствителен к условиям облучения, загрязнениям поверхностии вакуумным условиям и т.д. При этом возможно формирование самых разныхструктур: это ямки травления, бороздки, волны, холмы, конусы, пирамидки[70]. Развитие методов электронной и атомно-силовой микроскопии позволилопроводить изучение рельефа, имеющего характерную высоту на уровненанометра.Теоретический подход к описанию топологии поверхности при ионнойбомбардировке был развит Брэдли и Харпером в 1988 году [71] какобъединение теории распыления Зигмунда [55] и теории поверхностнойдиффузии.В подходеБрэдли-Харпераучитывается,чтокоэффициентраспыления зависит от локальной кривизны поверхности.
Следовательно,вершины холмов на поверхности распыляются медленнее, чем склоны, чтоприводит к увеличению шероховатости. С другой стороны, поверхностнаядиффузиястремитсясгладитьнеровности.Врезультатеобразуетсяхарактерный рельеф с параметрами, зависящими от условий облучения.Для объяснения рельефа, связанного с кристаллической структуроймишени, появляющегося, например, в ряде экспериментов с металлами, теорияБрэдли-Харпера должны быть дополнена представлением о барьерах ЭрлихаШвёбеля [72, 73]. Последние делают более выгодными определенныеположения адатомов на поверхности в зависимости от расположения атомныхступенек.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
