Удаление вещества с поверхности воздействием плазмы и плазменного потока

Одним из важных явлений, имеющих место при реализации широкого ряда плазменных технологий, является удаление вещества с поверхности образца, подвергаемого воздействию плазмы. В основе этого явления лежит воздействие на материал энергичных активных или неактивных частиц плазмы. Понятие "энергичные" подразумевает высокую кинетическую или потенциальную энергию частиц. Очевидно, это в первую очередь, относится к ионной и нейтральной компонентам плазмы.

Обычно процессы плазменной обработки поверхности образца систематизируют по тому, какова природа – физическая или химическая –взаимодействия энергичных частиц с веществом. Следует отметить, что рассматриваемые технологические процессы плазменной обработки ограничиваются приповерхностными слоями материала, поскольку кинетическая энергия таких энергичных частиц в плазме все же не превышает, как правило, нескольких килоэлектронвольт (<10 ^-15 Дж). При таких энергиях толщина слоя образца, в котором осуществляется взаимодействие, не превышает нескольких нанометров, т.е. ограничена несколькими десятками атомных слоев у поверхности.

При физическом взаимодействии основой является сравнительно высокая кинетическая энергия направленного движения частиц, которая может превышать тепловую энергию на несколько порядков величины. Такое взаимодействие характеризуется обменом энергией и импульсом в упругих столкновениях частиц плазмы с атомами вещества и приводит, в частности, к распылению материала с поверхности. Такая обработка поверхности называется плазменной или ионной

При химическом взаимодействии основой является потенциальная энергия частиц, определяемая наличием ненасыщенных химических связей и приводящая к неупругим столкновениям с обменом электронами между атомами с последующим химическим превращением обрабатываемого материала. Если физическое распыление тяжелыми частицами плазмы характеризуется энергетическим воздействием непосредственно на отдельные атомы, то химическое взаимодействие направлено в основном на электронные связи атомов. Ослабление и разрыв существовавших связей, последующее установление новых связей может привести к химическому удалению частиц материала с поверхности образца в виде соединений с атомами энергичных частиц плазмы. Такой вид обработки поверхности называют плазмохимическим удалением материала.

Следует также отметить, что эффективность протекания процессов физического распыления и химического удаления слабо зависят от того, заряжена частица плазмы или нет. Определяющим фактором является ее энергия – кинетическая или потенциальная, поскольку уже на расстоянии нескольких десятых нанометра от поверхности образца происходит нейтрализация ионов плазмы электронами, вырываемыми из материала электрическим полем ионов.

Зачастую бывает очень сложно (или невозможно) полностью разделить кинетику физического и химического взаимодействий; каждый из процессов несет в себе элемент другого. Тем не менее, в реальном процессе обработки всегда можно выделить преимущественный механизм, определяющий эффективность их протекания.

Процесс распыления физическим воздействием на вещество ионами плазмы инертных газов, например, может вызвать диссоциацию сложных по составу соединений, изменение химического состава поверхностного слоя, стимулированную диффузию, селективную сублимацию, восстановление материала на поверхности из окисленного состояния и др. Эти эффекты могут ослабить или наоборот усилить процесс распыления.

Если же основой взаимодействия являются химические реакции, то сопутствующая бомбардировка ионами плазмы может изменять скорость их протекания из-за создания дополнительных активных центров, инициирования процессов диссоциации химически малоактивных частиц плазмы с образованием химически активных частиц на обрабатываемой поверхности, снижения энергии активации возможных химических реакций.

Таким образом, удаление вещества плазмой или плазменным потоком с поверхности обрабатываемого образца связано с физическим распылением поверхностных слоев и химическим взаимодействием на поверхности с образованием легко удаляемых с нее соединений.

Рассмотрим подробнее каждый из этих процессов