Внедрение энергетических ионов в материалы

Представленная на рис. 2.1 упрощенная схема иллюстрирует основные физические явления, происходящие при взаимодействии энергетических ионов с материалами. Ионы, имеющие высокую ки­нетическую энергию, внедряются в материал. На пути своего движения они испытывают упругие и неупругие столкновения с ядра­ми атомов и электронами вещества. Происходят смещение и воз­буждение атомов, изменение структуры материала в зоне столкно­вений. Бомбардирующие ионы частично отражаются от поверхно­сти, причем они могут изменить в процессе обратного рассеяния свое зарядовое состояние. Происходит удаление с поверхности (распыление) атомов материала, которые также могут находиться в различном зарядовом состоянии. Взаимодействие сопровождает­ся вторичной электронной эмиссией, электромагнитным излучени­ем, спектр которого простирается от инфракрасного до рентгенов­ского [13, 14].

На схеме невозможно полностью отобразить качественно и ко­личественно все многообразие явлений, происходящих при ионной бомбардировке. Так, в состав распыленных частиц могут входить многоатомные образования — кластеры, многозарядные ионы рас­пыленного материала. Отраженные ионы также могут быть много­зарядными. Следует указать еще одну важную особенность взаи­модействия иона с материалом. Более 90% энергии бомбардирую­щего иона трансформируется в тепловые колебания атомов мате­риала, т. е. расходуется на разогрев обрабатываемого материала.

Рис 2.1. Схема физиче­ских явлений, наблюдае­мых при взаимодействии энергетического иона с материалами: , , — бомбардирующий и об­ратно рассеянные ионы в различном зарядовом состоянии, , _, — распыленные атомы в различном зарядовом со­стоянии, В — дефекты в материале, — вторичные электроны, hv — фо­тоны

Современные представления [14] дают следующую картину взаимодействия. Бомбардирующий ион внедряется в материал и на пути своего движения испытывает столкновения с ядрами атомов и электронами как свободными, так и связанными. При этих столк­новениях он теряет свою энергию Е₀ и останавливается. Возможны два канала передачи ионом энергии обрабатываемому материалу: в упругих столкновениях с ядрами атомов и в неупругих — с элект­ронами. Различие характера столкновений определяется пример­ным равенством масс иона и атома и существенным различием масс иона и электрона. Иначе говоря, энергетический ион испыты­вает в материале ядерное и электронное торможение.

Результатом упругих столкновений является рассеяние бомбар­дирующих ионов, в том числе их обратное рассеяние из материала, усиление колебаний атомов вокруг своих равновесных положений, что эквивалентно разогреву материала, смещение атомов, приводящее к образованию точечных дефектов в материале. В случае, когда энергия и импульс бомбардирующего иона в результате уп­ругих столкновений смещенных атомов передаются обратно на по­верхность, происходит распыление материала. Энергия иона в уп­ругих столкновениях теряется дискретно, так как поверхностная плотность атомов достаточна мала — порядка 10¹⁶ см^-2, что позво­ляет рассматривать взаимодействие иона с ними как независимые парные взаимодействия атомных частиц. Можно пренебречь тем, что атомы в кристаллической решетке или молекуле материала связаны и совершают тепловые колебания. Это приближение до­статочно справедливо, если учесть, что время упругого соударения составляет 10^-14 с, а период тепловых колебаний атомов — порядка 10^-11 с. В начальный период взаимодействия энергия бомбардирую­щих ионов по величине на много порядков больше энергии связи атомов в материале.

Неупругие столкновения обусловливают явления возбуждения и ионизации атомов и молекул, диссоциации молекул в результате передачи энергии электронам на атомных орбиталях, а также воз­буждения всей электронной подсистемы обрабатываемого материала. Кинетическая энергия взаимодействующих частиц уменьшается за счет превращения ее во внутреннюю энергию атомов. Вероят­ность возбуждения становится максимальной, когда скорость иона близка к орбитальной скорости электрона. Для этого энергия иона должна быть достаточно велика. В результате неупругих столкно­вений возникают: электромагнитное излучение, вторичная элект­ронная эмиссия с поверхности материала, зарядка распыленных частиц материала, перезарядка обратно рассеянных ионов. Поскольку поверхностная плотность электронного «газа» высока (по­рядка 10²² см^-2), столкновения ионов с электронами настолько многочисленны, что процесс электронного торможения можно рас­сматривать как процесс, сопровождающийся непрерывной потерей энергии.