Нарушение структуры материалов при ионной бомбардировке

Внедрение ионов в материалы сопровождается изменением структуры и свойств в результате образования многочисленных де­фектов. При ионном распылении число возникающих дефектов столь велико, что может происходить полное видоизменение свойств поверхности обрабатываемого материала. Уже сами внед­ренные ионы представляют собой дефекты структуры материала. Однако большая часть дефектов возникает в результате смещения атомов материала. Простейшими дефектами структуры, вызванны­ми смещениями, являются точечные дефекты материала типа Френ­келя. Эти дефекты характеризуются возникновением пары: атом в междоузлии и вакансия.

Теория радиационных нарушений в материалах [14] исходит из предположения, что существует пороговая энергия Е_d, которую необходимо передать атому, чтобы он перешел в междоузлие и воз­ник дефект. Эта энергия должна превышать энергию связи атома в кристаллической решетке или молекуле Е_d. Типичная величина Е_d, оцениваемая как энергия, необходимая для смещения атома внутри материала из своего равновесного состояния, имеет поря­док (2,4—4,8) · 10¹⁸ Дж (15—30 эВ).

Число и распределение возникающих при ионной обработке де­фектов смещения определяется ядерным торможением ионов, т. е. параметром ядерной тормозной способности S_n(E) и дозой бомбар­дирующих ионов N_s. Максимум концентрации дефектов лежит на расстоянии к_р от поверхности и, в целом, распределение дефектов повторяет распределение внедренных ионов. Число возникающих дефектов может быть оценено выражением:

, (2.1)

Из-за возникновения вторичных дефектов глубина нарушенного слоя материала может быть значительно большей, чем глубина внедрения ионов.

Если энергия смещенного атома Е_а превышает E_d, то могут возникать вторичные дефекты, так как смещенный атом способен вызвать смещение другого. Вероятность возникновения вторичных дефектов при столкновении увеличивается от нуля до единицы при энергии смещенного атома E_a = 2E_d, и полное их число будет равно v(E)=E_a/2E_d.

Помимо прямого выбивания атомов материала из равновес­ных положений бомбардирующими ионами происходит распро­странение дефектной области в цепочках последовательной пере­дачи энергии и импульса между атомами.

Диаметр зоны нарушений, создаваемой одним ионом, имеет значение порядка А нм, где параметр А равен численному значе­нию энергии иона, выраженной в килоэлектрон-вольтах. Можно ожидать, что при энергиях несколько килоэлектрон-вольт и дозах бомбардирующих ионов порядка 10¹⁴—10¹⁶ ион/см² будет происхо­дить перекрытие дефектных зон, слияние точечных дефектов в сплошную дефектную зону. Монокристаллическая структура пре­вращается в аморфную. Критическая доза, при которой происходит аморфизация поверхностных слоев обрабатываемого материала, зависит от энергии и массы ионов, температуры, вида образую­щихся дефектов, коэффициента распыления материала и других параметров.

С увеличением энергии повышается доза ионов, необходимая для полной аморфизации поверхностных слоев материала. Это связано с увеличением глубины проникновения ионов в материал и уменьшением доли ядерного торможения.

Увеличение температуры обрабатываемого материала повыша­ет критическую дозу аморфизации [10,15]. Часть дефектов восстанавлива­ется, т. е. восстанавливается кристаллическое совершенство струк­туры.

Материал, в котором существуют дефекты, представляет собой неустойчивую систему, которая с течением времени при температу­рах, отличных от нуля, переходит в устойчивое состояние. Число дефектов уменьшается в результате диффузии внедренных ионов и смещенных атомов. Диффузия происходит тем интенсивней, чем выше температура. Процесс релаксации дефектов подчиняется за­конам диффузии. В результате движения вакансий, смещенных междоузельных атомов и взаимодействия этих дефектов происхо­дит их исчезновение.

Образование дефектов и аморфизация поверхностных слоев соз­дают большие проблемы при проведении процессов ионно-ллазменной обработки материалов.

Ионное распыление

Физическим ионным распылением или просто ионным распылением называют процесс удаление материала с поверхности в результате взаимодействия с ним энергетических ионов. Развитие процесса ионного распыления с увеличением дозы ионной обработки характеризуется тремя этапами:

Первый этап – переходный, предравновесный. Он характеризуется постоянным ростом скорости распыления. Происходит удаление поверхностных загрязнений, изменение рельефа поверхности, ее структуры, энергии связи атомов на поверхности и, наконец, установление равновесной концентрации захваченных материалом ионов.

Второй этап – установившийся режим процесса ионного распыления. Распыляютя собственно материал и внедренные в него ионы, концентрация которых установилась. Этот этап является основным в процессе распыления.

Третий этап характеризует завершение удаление пленки материала. Скорость распыления материала пленки падает. Наблюдается влияние подложки на процесс распыления и его скорость, поскольку свойства подложки влияют на свойства граничного с ней слоя распыляемого материала. В результате проникновения ионов до границы раздела пленка – подложка и смещения атомов происходит перемешивание атомов пленки и подложки.

Современные представления о процессе взаимодействия, при­водящего к распылению, предполагают, что в результате проник­новения иона в материал возникает каскад бинарных упругих столкновений 'смещенных атомов, в которых происходит обмен энергией и импульсом между атомами. Среднее время развития каскада столкновений порядка 2·10^-13 с. Масса ионов долж­на быть достаточно велика, т. е. близка или больше массы ато­мов материала, чтобы увеличить вероятность смещения атомов в столкновениях, т. е. вероятность возникновения каскада столкно­вений. Конечным результатом каскада столкновений может стать передача поверхностному атому достаточной энергии и необходи­мого импульса нужной направленности (наружу из материала) для преодоления сил его связи на поверхности. Если начало каскада находится глубоко от поверхности материала, то поверхностным атомом бу­дет передана энергия, недостаточная для распыления. Таким образом, энергия ионов определяет интенсивность процесса ионно­го распыления.

Распыление будет происходить, если энергия бомбардирующего иона превышает некоторое пороговое значение . Предполагая, что энергия связи поверхностного атома материала равна энергии сублимации (атомизации), порогувую энергию распыления можно оценить с помощью соотношения:

, (2.2)

Отношение , называемое коэффициентом аккомодации, характеризует долю энергии бомбардирующего иона, переданную атому материала в упругом столкновении (при коэффициент аккомодации максимален и равен 1).

Для характеристики процесса ионного распыления используется параметр S, называемый коэффициентом распыления, а также производный от него параметр – скорость распыления [5,10]. Коэффициент распыления определяется как количество распыленных атомов, приходящихся на один бомбардирующий ион (атом/ион). Для характеристики процесса распыления полимерных соединений типа фоторезистов, имеющих молекулы с очень большим числом атомов, понятие коэффициента распыления теряет смысл, поскольку совершенно неопределенным становится состав продуктов распыления. В этом случае оперируют понятием скорости распыления, характеризующим толщину удаленного слоя материала в единицу времени при заданной мощности ионной обработки. Скорость и коэффициент распыления связаны соотношением:

, (2.3)

где е – заряд электрона, - плотность материала, j – плотность тока ионов, - молярная масса атомов материала, - число Авогадро.

На рис. 1.3а,б приведены зависимости коэффициентов распыления меди и кварца от энергии ионов аргона . В диапазоне энергий, близких к пороговым [].

(а) (б)

Рис 2.2. а – зависимость коэффициента распыления меди от энергии ионов аргона; б - зависимость коэффициента распыления кварца от энергии ионов аргона

 

Физика процесса распыления изучалась многими исследователями [14, 37-40]. Установлено, что эффективность процесса распыления определяется:

- зависимостью коэффициента распыления от характеристик бомбардирующих ионов: атомного номера, массы, энергии, направленности движения ионов по отношению к обрабатываемому материалу; от характеристик обрабатываемого материала: атомного номера, массы, относительной плотности, энергии связи атомов, составляющих материал, степени кристалличности материала и состояния его поверхности;

- плотности тока бомбардирующих ионов;

- влиянием среды: давления и состава остаточных и рабочих газов, наличием различного рода излучений и т. д.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: