Материал: Sb96853

В итоге получаем следующее выражение:

С помощью (1.11) можно рассчитать сечение рассеяния на основе теории атома Томаса–Ферми [6]. Коэффициент m определяется по следующему

энергия; aTF – величина экранирования Томаса–Ферми.

1.5. Электронное торможение

Как отмечалось ранее, потери энергии ионов при торможении делятся на два типа: ядерное и электронное торможение. Преобладание одного типа над другим зависит от того, с какой скоростью движется ион [8]. На рис. 1.7 представлено сравнение сечений ядерного и электронного торможения.

Энергия ионов пропорциональна ε, а скорость ионов пропорциональна ε1/2. При скоростях ионов меньших, чем скорость электрона на боровской орбите, ион стремится к нейтрализации за счет захвата электронов атомов мишени. В этот момент преобладают упругие столкновения с ядрами мишени. Однако при увеличении скорости ионов ядерное взаимодействие уменьшается на 1/E0. Электронные потери энергии, т. е. неупругие столкновения становятся основным взаимодействием [8].

Рис. 1.7

11

При высоких скоростях ион теряет все свои электроны и может рассматриваться как точечный положительный заряд (это происходит при скорости

v v0Z12 ). В этом случае влияние налетающей частицы на атом можно рас-

сматривать как небольшое внешнее возмущение.

Два режима электронного торможения определяются состоянием ионизации иона или по-другому его эффективным зарядом. Энергетические ионы теряют электроны, если скорость этих орбитальных электронов меньше скорости иона. Эффективный заряд можно вычислить по следующей формуле:

где Z – атомный номер; Z ' – заряд иона; v1 – скорость иона; v0 – боровская

скорость (скорость электрона на орбите водорода). Существует два экстремальных состояния иона:

1)0Z12/3 – ион не полностью лишен электронов;

2)0Z12/3 – ион полностью обнажен до голого ядра.

Формула для расчета электронных потерь для высокоэнергетических ионов выглядит следующим образом:

где E – кинетическая энергия иона.

Для низкоэнергетических ионов было разработано три теории: Ферми– Теллера, Фирсова и Линдхарда–Шарффа. Они показывают, что при таких энергиях тормозное сечение пропорционально скорости иона [9].

1.6. Распыление

Во время процесса, называемого распылением, поверхностные атомы удаляются из-за столкновения с налетающими энергетическими ионами [9].

Данный процесс характеризуется коэффициентом распыления, который можно определить по следующей формуле:

Y Среднее число спущенных атомов. Налетающие частицы

Коэффициент распыления зависит от структуры и состава мишени, параметров падающего пучка, а также геометрии эксперимента. Типичные значения коэффициента распыления для ионов с энергиями порядка нескольких килоэлектрон-вольт лежат в диапазоне 1…10 [10].

12

Некоторые атомы после вторичных столкновений будут приближаться к поверхности мишени с энергией, достаточной для выхода из твердого тела. Именно вторичные столкновения больше всего влияют на процесс распыления, представляющий собой сложную серию столкновений (каскад столкновений) и включающий в себя угловые отклонения и перенос энергии между соседними атомами [10].

Коэффициент распыления пропорционален числу упругих столкновений в материале.

Можем определить коэффициент распыления для частиц, падающих перпендикулярно поверхности:

Y FD (E0).

Здесь Λ – коэффициент, который отражает все свойства материала, например энергию связи на поверхности; FD(E0) – энергия ядерных столкновений на еди-

ницу длины, зависящая от энергии и направления налетающего иона, а также от состава мишени (атомного номера, массы и количества атомов мишени):

FD (E0 ) NSn (E0 ),

В режиме распыления, при скорости налетающей частицы намного меньше скорости Бора, экранирование заряда ядра электронами должно быть включено в описание столкновений [11].

Процедура расчета коэффициента распыления заключается в том, что сначала определяется ядерное тормозное сечение, а затем энергия, затраченная на ядерные столкновения [3].

Ядерноетормозноесечение эВ см2 определяетсяпоследующейформуле:

атом

13

где

– приведенная энергия [12].

Энергия осаждения (FD) определяется величиной αNSn(E0), где α – является функцией отношения масс М2/M1 и лежит в диапазоне 0.2…0.4 (рис. 1.9).

Поправочный коэффициент также зависит от угла падения пучка на мишень и растет с увеличением угла (рис. 1.10).

Коэффициент Λ содержит в себе параметры материала и является описанием числа атомов, которые могут выходить из мишени [нм/эВ]:

4.2 ,

NU0

где N – атомная плотность; U0 – энергия связи на поверхности. Типичные значения энергии связи 2…4 эВ.

Распыление материала основано на каскадной картине столкновений.

Налетающий ион инициирует столкновения по мере продвижения внутрь

твердого тела. Энергия налетающего иона рассеивается при соударениях с

атомами кристаллической решетки. Эффективными для распыления являются только те столкновения, которые происходят вблизи поверхности материала. Чем больше столкновений происходит в приповерхностных областях,

тем выше коэффициент распыления [7].

Для композитных материалов остаются все те же основные умозаключения,

но есть некоторые сложности, поскольку в материале мишени имеется несколько типов атомов. Они не могут распыляться с одинаковой скоростью из-за разных энергийсвязи, различийвраспределенииэнергииивероятностивыхода.

14

Рассмотрим процесс распыления бинарного соединения [13].

Для однородного образца с двумя атомными компонентами приповерх-

ностная концентрация Ns равна объемной Nb при отсутствии сегрегации к

поверхности. Поэтому в начале распыления:

NAs NAb .

NBs NBb

Коэффициенты распыления компонентов A и B определяются по из-

вестной формуле:

Коэффициенты распыления компонентов А и В пропорциональны по-

верхностной концентрации:

где r – коэффициент распыления, учитывающий площадь поверхности, энергию связи, глубину выхода атомов и передачу энергии посредством каскада.

Лежит в диапазоне 0.5…2.

В начале распыления t = 0:

YA(0) r NAb (0) r NAb .

YB(0) NBb (0) NBb

При распылении, если r > 1, т. е. коэффициент распыления А больше, чем коэффициент распыления В, приповерхностная область будет обога-

щаться материалом В. Поскольку процесс продолжается с макроскопическим количеством вещества удаляемого материала, повышенная концентрация В просто уравновешивает распыление А. Поэтому при установившемся режиме

коэффициент поверхностной концентрации будет отличаться от отношения объема, когда r не равен 1 [13]:

NAs ( ) 1 NAb .

NBs ( ) r NBb

1.7. Характеристики газоразрядной плазмы

Основным источником технологической плазмы является тлеющий или дуговой газовый разряд. В общем случае плазма представляет собой смесь трех видов частиц:

15