Плазменное (ионное) распыление вещества

 

Плазменное (ионное) распыление вещества обусловлено физическим взаимодействием энергичных частиц с веществом.

Если плазменный поток, воздействующий на образец, имеет высокую степень ионизации, то имеет место явление преимущественного ионного распыления поверхностных слоев материала. Ионная обработка представляет собой процесс, при котором поверхностные слои твердого вещества подвергаются бомбардировке ускоренными положительными ионами как правило инертных газов, химически не реагирующими с обрабатываемым материалом.

При падении ускоренных ионов на поверхность образца, последний распыляется, т. е. эмитирует атомы или молекулы того вещества, из которого он состоит. Явление ионного распыления используется в процессах ионной очистки и получении тонких пленок. Распыленные частицы снова могут осаждаться на какую-либо поверхность, на этом и основано получение тонких пленок.

В настоящее время общепризнанным является импульсный (нетермический) механизм разрушения поверхности твердых тел под действием ионной бомбардировки. В этом случае происходит обмен импульсами при столкновениях бомбардирующего иона с атомами решетки и атомов решетки между собой.

Распыление материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления k, который определяется количеством выбитых одним ионом атомов. Т. к. k – статистическая величина, она может выражаться и дробным числом, и определяется так

 

, (1.17)

 

где N_a – число выбитых атомов, N_i – число ионов, бомбардирующих материал.

Когда состав распыленных частиц многоэлементный (распыление многоэлементных материалов), для характеристики распыления используются парциальные (селективные) коэффициенты распыления отдельных компонент или коэффициент распыления, выраженный в единицах молекула/ион.

Эффективность процесса ионного распыления часто характеризуют производным от k параметром – скоростью распыления υ_р, которая определяет толщину удаленного слоя материала в единицу времени при заданной интенсивности бомбардирующего потока. Скорость и коэффициент распыления связаны соотношением

 

[м/с], (1.18)

 

где j_i – плотность тока ионов на образец (А/м²); М₂ – молярная масса атомов материала (кг/моль); е – заряд электрона (Кл); ρ – плотность материала (кг/м³); N_A – число Авогадро (моль^-1).

Эффективность процесса ионного распыления зависит от многих параметров:

· характеристик бомбардирующего иона (энергии, атомного номера, массы);

· угла падения ионов на распыляемую мишень;

· характеристик материала образца (атомного номера, плотности, энергии связи атомов, составляющих материал);

· состояния поверхности образца;

· среды, в которой происходит взаимодействие (давление и состав остаточных и рабочих газов, наличие различного рода излучений) и пр.

Данные, приведенные в табл. 1.1 и 1.2, иллюстрируют, в частности, практически реализуемые значения коэффициентов распыления ряда материалов ионами инертных газов, которые наиболее часто используются для целей физического распыления, а на рис. 1.17 показаны графики характерной зависимости k от энергии бомбардирующего иона при нормальном его падении к поверхности образца.

Видно, что с ростом энергии бомбардирующих ионов k сначала растет, а затем уменьшается.

Таблица 1.1

Коэффициенты распыления материалов ионами инертных газов (Е_i =1 кэВ)

Материал	Коэффициент распыления k, атом/ион
He Не	Ne	Аг	Кг	Хе
Бериллий	0.35	0,8	1,1	0,8	0,7
Алюминий	-	1,13	1,94	1.58	-
Кремний	-	-	1,00	-	-
Титан	-	-	1,13	-	-
Железо	-	0,84	1,34	1,44
Никель	0,22	1,45	1,86	1,89	2,00
Медь	0.65	2,75	3,64	3,62	3,42
Германий	-	-	1,55	-	-
Цирконий	-	-	1.06	-	-
Ниобий	-	-	0.98	-	-
Молибден	-	0,43	1,14	1,41	1,53
Палладий	-	-	3,06	-	-
Серебро	1,8	2,4	3,8	4,7	-
Кадмий	-	11,2	11,2	-	-
Тантал	-	-	0,91	-	-
Вольфрам	-	-	1.1	-	-
Платина	0,08	0,85	2,0	2,35	2,52
Золото	-	1,53	3,08	3,86	-
Свинец	-	-	4,2	-	-

 

 

Таблица 1.2