Физические основы ионного распыления

 

При взаимодействии быстрых частиц (ионов) с поверхностью твердого тела (мишени) протекает каскад упругих бинарных столкновений, основным результатом которых является передача атомам мишени энергии и импульса. Если переданная атому энергия превышает энергию связи его с остальными, то атом может покинуть поверхность и перейти в газовую фазу. При этом температура мишени значительно ниже температуры испарения материала, из которого она изготовлена.

Так как столкновения атомов имеют упругий характер, то для такой системы выполняются закон сохранения импульса и кинетической энергии. Тогда, в случае взаимодействия иона с неподвижным атомом подложки, представленном на рисунке 1, можно записать

;

,

где m_i, m_а – масса иона и атома мишени соответственно;v_i , v_i,1–скорость иона до и после взаимодействия; v_а – скорость атома мишени после столкновения; – угол рассеяния.

m_i, E_i, p_i

Рисунок 1 – Схема взаимодействия иона с атомом мишени

 

В результате решения приведенной выше системы уравнений получим следующее выражения для энергии, которую передал ион поверхностному атому в результате столкновения:

, (1)

где Е_i – энергия иона.

Анализ выражения (7.8) показывает, что наиболее интенсивно энергообмен происходит при условии равенства масс иона и атома.

Если в качестве бомбардирующей частицы используются электроны, масса которых, как известно, значительно меньше массы атомов, то из (1) получим ,т. е. в этом случае передача энергии неэффективна, так как

m_i << m_а .

Полученный результат позволяет сделать вывод о том, что распыление твердых тел под действием электронов практически невозможно.

Установлено, что если Е_а≥Е_d (Е_d – пороговая энергия смещения атома), то атом покидает узел кристаллической решетки и возникает смещенный атом отдачи. Для большинства металлов Е_d≈10…50 эВ. Так, например, для тантала Е_d=32 эВ, для хрома –28 эВ, для алюминия- 16,5 эВ, вольфрама–50 эВ. При обычных режимах распыления (энергия ионов E_i=0,1…10 кэВ) условие, определяющее вероятность образования атомов отдачи, выполняется.

Под действием одного иона в мишени происходит несколько упругих столкновений, при этом среднее число смещенных атомов может быть определено по формуле

.

Например, при распылении ионами с E_i= 5 кэВ число смещенных атомов в кристаллической решетке, имеющих Е_d=25 эВ, .

Поверхностные атомы отдачи, получившие достаточно высокую энергию, уходят с поверхности и образуют поток распыляемых частиц. Ионное распыление является процессом поверхностным. Поток распыленных частиц формируется из атомов, которые находятся в первом, втором и только при больших значениях энергии ионов – в третьем слое.

Эффективность ионного распыления характеризуется коэффициентом распыления S, который можно определить как число атомов, распыляемых при действии на мишень одного иона,

S=v_р/I_i,

где v_р– скорость распыления, ат.м^-2с^-1; I_i– плотность потока ионов, ион. м^-2.с^-1.

В теории Зигмунда для электронов с энергией Е_i <1 кэВ получено следующее выражение для коэффициента распыления:

,

где ; α- зависит от соотношения масс иона и атома; – энергия связи поверхностного атома (энергия сублимации).

Коэффициент распыления достаточно сильно зависит также от угла падения ионов:

.

Параметр f определяется соотношением масс. При ; при .

Как правило, наибольшее распыление происходит при углах падения ионов 60…75°. При наклонном падении на поверхность монокристаллов зависимость S от угла падения ионов имеет более сложный характер.

На основании полученных результатов можно сформулировать следующие основные направления интенсификации процесса распыления:

- увеличение плотности ионного тока;

- увеличение энергии ионов;

- распыление при оптимальных углах падения ионов.

Важным параметром распыления частиц является их пространственное распределение. В общем случае угловое распределение распыленных атомов может быть описано выражением

I(φ)= I(0)соsⁿφ, (7.9)

где n – параметр, зависящий от природы материала мишени (всегда больше единицы).

Отметим, что при испарении металлов угловое распределение описывается законом косинуса, т. е. выражением (7.9) при n=1.

При распылении монокристаллических поверхностей пространственное распределение распыленных атомов является более сложным. Оно характеризуется, в частности, наличием нескольких максимумов на полярных диаграммах распыления.

Ряд особенностей наблюдается при распылении сплавов, особенно если компоненты сплава сильно отличаются по массе. В этом случае при определенных условиях проявляется селективность распыления и, в итоге, - отклонение химических составов нанесенного покрытия и распыляемой мишени.

Методы распыления имеют следующие основные преимущества:

1. Возможность получения покрытий из различных химических соединений.

2. При распылении мишени из многокомпонентных сплавов химический состав покрытия и распыляемой мишени близки.

3. Высокий коэффициент использования паров (распылению подвергаются плоские поверхности, и в результате формируются направленные нормально к поверхности мишени потоки летучих частиц).

4. По этой же причине достигается высокая равнотолщинность покрытий.

5. Покрытия характеризуются высокой адгезией, так как распыленные атомы имеют достаточно высокую скорость и степень ионизации.

6. Высокая автоматизация процесса.

7. Устройства для нанесения покрытий методом распыления, как правило, и не содержат сложные системы подачи вещества в зону генерации газовой фазы.

Недостатки методов распыления следующие:

1.Низкая скорость осаждения покрытий. Для большинства методов, кроме магнетронного, она составляет до 1…2 нм/с.

2.Пленки характеризуются достаточно высоким уровнем механических напряжений.

3.Поверхность подложки в ряде случаев подвергается действию высокоэнергетичных частиц, которые могут вызвать образование радиационных дефектов.

4.Рабочее давление в камере при реализации ряда методов нанесения составляет 1…10 Па, поэтому условия формирования пленок нельзя считать достаточно чистыми.

Все методы распыления, как уже отмечалось, условно разделяют на 2 группы:

1) ионно-лучевые;

2) плазмо-ионные или ионно-плазменные.

Общая схема ионно-лучевых методов распыления представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Схема ионно-лучевого распыления: 1–источник ионов; 2–распыляемая мишень; 3–покрытие; 4 – подложка

 

Поток ионов, сформированный с помощью отдельного источника, направляется на поверхность мишени и вызывает ее распыление.

Характерная особенность ионно-лучевого распыления заключается в том, что процесс образования газовой фазы происходит, если даже на поверхность мишени не подается электрический потенциал (потенциал смещения).

При плазмо-ионном распылении мишень находится в сильно ионизированной плазме и на нее подается отрицательный потенциал. Электрическое поле мишени вытягивает из плазмы подложки ионы, которые при бомбардировке поверхности мишени и вызывают ее распыление.

В зависимости от параметров создаваемой плазмы различают следующие основные разновидности ионно-плазменного распыления: катодное, магнетронное, высокочастотное, распыление в несамостоятельном газовом разряде.

В настоящее время разработан и очень часто на практике используется целый ряд комбинированных методов, сочетающих особенности приведенных выше способов.