Влияние свойств поверхности на процессы рассеяния и распыления атомных частиц

Актуальность темы

Важность исследования закономерностей взаимодействия атомных частиц с твердым телом, вообще, и распыления поверхности и рассеяния ионов кристаллом, в частности, достаточно понятна, особенно с точки зрения приложений в микроэлектронике, конструировании космических аппаратов, управляемого термоядерного синтеза и т. п. Не менее важен для физики и чисто познавательный аспект изучения множества процессов, происходящих при рассеянии ионов и распылении. Однако, даже упругое взаимодействие частиц при распылении с трудом поддается теоретическому описанию, а сделанные теоретические оценки часто расходятся с экспериментальными фактами. Мы недостаточно хорошо представляем себе механизмы распыления монокристаллической поверхности одноэлементных и бинарных кристаллов, несмотря на то, что такие материалы могут широко применяться в практике, например, кубическая модификация нитрида бора — второй после алмаза материал по твердости, а ромбоэдрическая и гексагональная модификации обладают очень высокой теплопроводностью и сохраняют ее до температур порядка 2000К, являясь во всем температурном диапазоне хорошими изоляторами.

Рассеяние ионов низкой (порядка 1 кэВ и менее) энергии поверхностью кристалла — довольно распространенный инструмент анализа поверхности, преимущество которого перед другими — возможность получения информации о нескольких (или даже одном) приповерхностных слоях атомов твердого тела и находящихся на поверхности адатомах. Обычно этим методом исследуется только элементный состав поверхности. Однако, возможности рассеяния как метода анализа поверхности не исчерпаны и при более тщательном изучении характера рассеяния можно извлечь дополнительную информацию о приповерхностных слоях атомов кристалла.

Структура поверхности монокристалла, особенно вицинальных граней, — важный вопрос для микроэлектроники, поскольку в реальных условиях вицинальные грани — более частое явление, чем низкоиндексные. Однако, атомы поверхности, зачастую, расположены совсем не так, как в объеме. Это нужно учитывать и в экспериментальной практике и в прикладных областях.

Режимы, при которых происходит распыление кристалла, часто являются критическими и сопровождаются возникновением ударных волн, высоких локальных температур и других аномалий. При этом распылению монокристалла вблизи критических точек уделено мало внимания в современной литературе: имеются лишь единичные экспериментальные работы, а возможность аналитического расчета этого круга вопросов крайне ограничена, поскольку к сложностям теоретического описания системы многих тел в распылении присоединяется недостаточная продвинутость теории фазовых переходов, не позволяющая рассмотреть ни одной более или менее реальной модели. В численном эксперименте распыление вблизи критических точек не изучалось, существуют лишь грубые оценки коэффициента распыления. Для исследования поведения кристалла вблизи критической точки необходимо создать модели, адекватно описывающие температурные зависимости равновесных термодинамических параметров кристалла, как в объеме, так и в приповерхностных слоях. Такие модели не только позволяют изучить распыление в широком температурном диапазоне, но и имеют более широкое применение в физике твердого тела вообще.

Таким образом, исследование с помощью моделирования на ЭВМ механизмов распыления однои двухэлементных монокристаллов, а также изучение распыления монокристалла вблизи критических точек (в данной работе это точка плавления и точка Кюри) — весьма актуально. Оно может дать возможность не только выявить закономерности собственно процесса распыления, но и лучше понять поведение твердого тела вблизи критической точки. Сложности в однозначной трактовке результатов физического эксперимента делают особенно важной постановку численного эксперимента с целью явного выделения тех или иных механизмов или процессов и определения таких условий, когда можно поставить физический эксперимент, разделяющий возможные альтернативы. Поэтому результаты данной работы могли бы стимулировать постановку новых экспериментов с целью подтверждения или опровержения закономерностей, обнаруженных в расчете.

Цель работы:

— разработка программного обеспечения для численных расчетов и исследование закономерностей рассеяния ионов низких энергий поликристаллической поверхностью;

— получение приближенных выражений для свободной энергии кристалла, позволяющих вычислить равновесные термодинамические параметры при разных температурах и последующее использование их при моделировании распыления;

— построение расчетных моделей кристалла и межатомных взаимодействий, содержащих вычисленные термодинамические параметры и адекватных поставленной задаче;

— изучение устойчивого положения атомов на различных, в том числе вицинальных, гранях ГЦК кристалла и определение структуры поверхности этих граней;

— моделирование распыления монокристалла в широком диапазоне температур, с целью получения информации как о механизмах распыления, так и о поведении кристалла вблизи критических точек;

— анализ характера и причин изменения коэффициента распыления ферромагнетика вблизи точки Кюри;

— формулировка фактов, которые можно проверить в будущих экспериментальных работах для подтверждения правильности сделанных выводов;

Научная новизна работы. В работе впервые получены следующие результаты:

— предложено выражение для описания межатомного взаимодействия в диапазоне от десятых долей ангстрема до 5−7 ангстрем, на основе которого можно в замкнутом виде построить приближенное выражение для свободной энергии кристалла;

— получен ряд приближенных выражений, позволяющих рассчитывать свободную энергию как идеального трехмерного кристалла, так и кристалла с геометрическими дефектами (поверхность, вакансии и т. п.);

— предложена модель поликристалла в виде неограниченного монокристалла с произвольно ориентированной бомбардируемой плоскостью, позволяющая в расчете получить не только качественное, но и количественное согласие с экспериментальными данными;

— показано, что рассеяние ионов низких энергий, как инструмент анализа поверхности, более чувствителен к примесям на поверхности мишени, а не к наличию геометрических дефектов поверхности;

— построены модели монокристалла, позволяющие проделать расчет распыления кристалла в широком температурном диапазоне, включающем окрестность точки плавления и точки Кюри, проанализированы причины возникновения аномалий в пространственных и энергетических распределениях и объяснены изменения в характере распыления вблизи критических точек;

— изучены в численном эксперименте механизмы образования неоднородностей в пространственных распределениях распыленных атомов (пятна Венера) и показано, что при приближении к точке Кюри или к температуре плавления эти неоднородности исчезают;

— установлено, что изменение коэффициента распыления ферромагнетиков при переходе через точку Кюри зависит от угла падения ионов на мишень. Оно тем больше, чем больше соударений претерпевает движущаяся частица перед распылением;

— выяснен ряд механизмов распыления бинарных кристаллов разных структурных модификаций на примере нитрида борапоказана существенная роль каналирования первичных ионов между поверхностными слоями графитоподобных модификаций ВК в переносе энергии;

— найдено, что смещения атомов на краю ступени вицинальной грани монокристалла могут быть велики (около ангстрема), что существенно влияет на формирование потока распыленных частиц, на увеличение вероятности отрыва атома с края ступени и на уменьшение температуры плавления грани;

— обнаружен более быстрый рост коэффициента распыления димеров по сравнению с мономерами при приближении к температуре фазового перехода.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что.

— предлагаемое выражение для потенциала межатомного взаимодействия является универсальным и может использоваться при моделировании взаимодействия ионов с кристаллом в широком диапазоне (от единиц эВ до нескольких кэВ) энергий;

— полученные в работе приближенные выражения для свободной энергии могут использоваться как для изучения поведения равновесных термодинамических параметров твердого тела при разных температурах, так и при моделировании взаимодействия атомных частиц с поверхностью твердого тела в широком температурном диапазоне, включающем в себя окрестность точки фазового перехода;

— построенные приближения для свободной энергии сохраняют аддитивность межатомного взаимодействия (если она была) и практически не увеличивают вычислительных затрат на проведение компьютерного расчета;

— полученные в работе температурные зависимости распыления атомов и димеров с монокристаллической поверхности нужно учитывать при создании микроэлектронных приборов, работающих при температурах, близких к критическим;

— обнаруженная в работе более высокая чувствительность энергетических спектров рассеянных поликристаллической поверхностью ионов к примесям, а не геометрическим дефектам мишени, должна учитываться при развитии методов анализа поверхности кристалла;

— значительные смещения атомов на краях ступеней вицинальных граней кристалла нужно принимать во внимание в экспериментальных и прикладных работах;

— применяемая в работе методика численного эксперимента (модели мишени, задание межатомных взаимодействий, численные методы нахождения траекторий и т. п.) позволяют при сравнительно небольших вычислительных ресурсах (персональный компьютер) проводить полноценные молекулярно-динамические компьютерные эксперименты по распылению кристалла;

Защищаемые положения.

— предложенный потенциал межатомного взаимодействия, позволяющий значительно улучшить описание взаимодействия атом-атом в численном эксперименте по взаимодействию ионов с поверхностью твердого тела в интервале энергий от тепловых до нескольких кэВ;

— созданные модели полии монокристаллической мишени и методика расчета распыления монокристалла, позволяющие сократить время численного эксперимента на 2−4 порядка по сравнению с полным молекулярно-динамическим рассмотрением;

— закономерности формирования энергетических и угловых распределений ионов, рассеянных поликристаллической поверхностью, позволяющие использовать для анализа поверхности кристалла методом спектроскопии ионов низких энергий не только пики однократного рассеяния частиц, но и другие особенности энергетических и пространственных распределений, что расширяет возможности данного метода;

— более высокая чувствительность потока рассеянных поверхностью поликристалла частиц к примесям, а не геометрическим дефектам поверхности;

— изученные в численном эксперименте механизмы переноса энергии и формирования пространственных распределений различных структурных модификаций монокристалла нитрида бора, показывающие, что в графитоподобном ВЫ осуществляется перенос энергии на большие (сотни А) расстояния за счет процесса каналирования первичных ионов между поверхностными слоями, что приводит к уменьшению радиационной стойкости кристалла;

— результаты исследования положения атомов на вицинальных гранях ГЦК кристалла, показывающие наличие значительных (около ангстрема) смещения атомов на краю ступенек некоторых граней, что значительно меняет картину распыления этой поверхности, приводя к появлению пятен-спутников в пространственных распределениях распыленных частиц;

— увеличение коэффициента распыления монокристалла в парамагнитном состоянии по сравнению с ферромагнитным (обусловленное изменением потенциала взаимодействия в разных состояниях спиновой подсистемы кристалла), зависящее от угла падения бомбардирующих ионов;

— полученные в работе приближенные выражения для свободной энергии кристалла, позволяющие находить термодинамически равновесные параметры монокристалла при разной температуре, что может использоваться не только при моделировании распыления кристаллов, но и при исследовании зависимости свойств поверхности монокристаллов от температуры и, в частности, вблизи критических точек;

— резкий рост коэффициента распыления мономеров и димеров при приближении к критической точке, включая опережающий рост коэффициента распыления димеров по сравнению с мономерами вблизи нее;

В диссертации создано новое направление: развитие модели реального твердого тела и его поверхности для численного и аналитического исследования взаимодействия ионов низких энергий с кристаллами, которое характеризуется следующими особенностями:

— модель мишени, используемая в численных экспериментах по рассеянию и распылению атомных частиц строится на основе предлагаемого потенциала межатомного взаимодействия и полученных для него теоретических приближенных выражений для свободной энергии кристалла;

— построенная модель позволяет рассмотреть влияние разнообразных свойств поверхности кристалла на характер эмитируемых атомных частиц не только в регулярных областях, но и вблизи критических точек;

— расчеты с предложенными моделями дают хорошее соответствие полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными и предсказывают ряд результатов, которые ждут проверки в будущих экспериментах.

Апробация.

Основные результаты работы обсуждались на:

— 5-й Всесоюзной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Минск, 1978;

— 8-th International Conference on Atomic Collisions in Solids, Hamilton (Canada), 1979;

— 9-th International Conference on Atomic Collisions in Solids, Lyon (France), 1981;

— Республиканском совещании по диагностике поверхности ионными пучками, Запорожье, 1983;

— 9-th International Vacuum Congress, Madrid (Spain), 1983;

— 10-й Всесоюзной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Звенигород, 1991;

— 14-th International Conference on Atomic Collisions in Solids, Salford (England), 1991;

— 1-th Conference on solar energy conversion and clean energy for environment, Tanta (Egypt), 1992;

— 11-й Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Звенигород, 1993;

— 12-й Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Звенигород, 1995;

— 16-th International Conference on Atomic Collisions in Solids, Linz (Austria), 1995;

— 2-th International Conference on Inelastic Ion Surface Collisions, Wangerooge (Germany), 1996;

— 13-й Международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Звенигород, 1997;

— 17-th International Conference on Atomic Collisions in Solids, Beijing (China), 1997.

Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в работах [1−37].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из Введения, 6 глав и Заключения (выводов). Работа содержит 195 страниц текста, включая 50 рисунков. В списке литературы приведены 182 работы.

Основные результаты главы изложены в работах [10,12,16,18−24,2628,30,31,33,37].

Получено приближенное выражение для свободной энергии кристалла, позволяющее получать термодинамически равновесные параметры кристалла при любой температуре, включая температуры, близкие к критической точке. Поведение постоянной решетки и дисперсии тепловых колебаний атомов кристалла, при повышении температуры, соответствует имеющимся экспериментальным данным.

Глубина минимума свободной энергии уменьшается при возрастании температуры, а «потенциальная яма» расплывается (уширяется) и исчезает при некоторой критической температуре (в данном случае это означает потерю механической устойчивости кристалла), которую мы отождествляем с точкой плавления кристалла.

В силу довольно значительной анизотропии тепловых колебаний, нормальная к поверхности компонента дисперсии тепловых колебаний достигает значений, удовлетворяющих критерию Линдемана (который для данного случая представляет собой ограничение на среднеквадратичное отклонение атомов от положения равновесия и составляет 0.26 от радиуса сферы с объемом, равным удельному объему на атом мишени), значительно раньше, чем тангенциальная, еще до критической точки свободной энергии и именно здесь и начинается резкий рост коэффициента распыления. Сама по себе критическая точка свободной энергии для первого слоя атомов кристалла расположена также при более низких температурах (примерно на 20% ниже, чем в объеме).

Характеристики распыленных атомов довольно резко меняются вблизи точки плавления. Основные изменения можно сформулировать как:

— коэффициент распыления начиная с температуры «0.8 резко возрастает (на порядок и более);

— еще более резко растут, при приближении к критической точке, количество адатомов на поверхности кристалла и коэффициент распыления димеров;

— пространственные распределения распыленных атомов начиная с этой же температуры практически теряют присущую им анизотропию.

Качественное поведение коэффициента распыления и пространственных распределений распыленных атомов хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными.

Введение

сравнительно небольшой добавки в потенциал взаимодействия позволяет получить поведение коэффициента распыления магнетиков (№, Ре) в разных магнитных состояниях, причем наблюдается неплохое согласие с экспериментальными данными.

Наличие макроскопических флуктуаций равновесных термодинамических параметров вблизи точки Кюри позволяет правильно описать изменение коэффициента распыления и пространственных распределений распыленных атомов вблизи этой точки, наблюдаемое в эксперименте.

Заключение

.

Суммируем теперь основные результаты, располагая их в соответствии с расположением в диссертации.

Постановка численного эксперимента.

Построен и апробирован в многолетних исследованиях набор вычислительных моделей для исследования рассеяния атомных частиц поверхностью кристалла и распыления атомов с поверхности при низких энергиях бомбардирующих ионов. Характерной особенностью данных моделей является то, что при сравнительно небольших вычислительных затратах, они позволяют получить результаты, не только качественно, но и количественно описывающие экспериментальные.

Предложен парный потенциал межатомного взаимодействия с притяжением, свободный от ряда недостатков широко применяемых при моделировании распыления потенциалов взаимодействия и описывающий межатомные взаимодействия в интервале энергий от тепловых до нескольких кэВ. Кроме того, на основе предложенного потенциала можно построить приближенное выражение для свободной энергии кристалла, позволяющие находить равновесные термодинамические свойства как объема, так и поверхности.

Рассеяние атомных частиц поверхностью кристалла.

Предложен ряд моделей поликристалла и проведен анализ возможности их использования для моделирования рассеяния ионов монои поликристаллом.

Показано, что пик многократных соударений в энергетических распределениях рассеянных ионов обладает высокой чувствительностью к примесям в мишени и слабо чувствителен к вакансиям и текстуре поверхности. Эту особенность энергетических спектров можно использовать при исследовании свойств поверхности методом спектроскопии рассеяния ионов низких энергий.

Распыление разных структурных модификаций монокристалла (нитрид бора).

Исследовано влияние структуры монокристалла на характер распыления при бомбардировке ионами низких энергий. Показано, что коэффициент распыления разных структурных модификаций нитрида бора зависит, в первую очередь, от локальной плотности мишени, а разница в распылении графитоподобных модификаций, близких по плотности, но имеющих разную структуру, проявляется наиболее заметно в зависимости коэффициента распыления от угла падения ионов на мишень.

Исследованы пространственные распределения распыленных атомов бора и азота и показано, что преимущественным механизмом формирования неоднородностей (пятен Венера) в пространственных распределениях является механизм Лемана-Зигмунда.

Показано, что различие в строении грани (0001) двух графитоподобных модификаций (ромбоэдрической и гексагональной), проявляющееся только со второго слоя атомов проявляется в угловых и пространственных распределениях распыленных атомов.

Предсказан и объяснен механизм переноса энергии на большие (сотни ангстрем) расстояния в графитоподобных модификациях. Этот перенос обусловлен межплоскостным каналированием ионов с последующим выбиванием атомов бора или азота. Такие процессы уменьшают радиационную стойкость кристалла, которая важна в практических приложениях.

Структура и особенности распыления вицинальных граней.

Рассмотрено положение атомов на вицинальных гранях ГЦК кристалла (никель), близких к граням (111) и (001) и показано, что атомы на краю ступеней вицинальной грани имеют значительные (до 1А) смещения.

Столь значительные смещения сильно изменяют картину распыления. Коэффициент распыления возрастает, а количество пятен Венера в пространственных распределениях изменяется, оставшиеся пятна меняют свою форму.

Обнаруженные особенности в строении вицинальных граней необходимо учитывать при построении поверхностей с заданными свойствами.

Термодинамические свойства кристалла.

Получен ряд приближенных выражений для свободной энергии кристалла, позволяющих теоретически описать поведение термодинамических параметров кристалла, в том числе поверхности, в широком диапазоне температур, включая температуры, близкие к точке плавления и точке Кюри.

Равновесные термодинамические параметры, получаемые при минимизации свободной энергии обладают следующими свойствами:

— они существуют только в ограниченном диапазоне температур, то есть найденная свободная энергия описывает критическую точку системы;

— первые межплоскостные расстояния и нормальная компонента дисперсии тепловых колебаний кристалла изменяются с температурой не так, как межплоскостные расстояния в объеме и тангенциальная компонента дисперсии тепловых колебаний, соответственно, то есть вблизи поверхности равновесные термодинамические параметры кристалла анизотропны и степень их анизотропии зависит от температуры.

Показано, что температура плавления граней (001) и (111) ГЦК монокристалла ниже, чем температура плавления объема.

Особенности распыления вблизи критической точки.

Исследовано поведение коэффицента распыления и пространственных распределений распыленных частиц в зависимости от температуры. Показано, что при приближении к точке плавления грани коэффицент распыления резко возрастает, но еще быстрее растет число адатомов на поверхности и коэффициент распыления димеров. Пространственные распределения распыленных частиц при приближении к точке плавления теряют анизотропию, присущую пространственным распределениям атомов распыленных с поверхности монокристалла и приближаются к пространственным распределениям атомов, распыленных с поверхности аморфных тел.

Изучен, в численном эксперименте, характер распыления магнитных материалов (№, Ре) вдали и вблизи от точки Кюри. Полученные, на основе предложенных теоретических зависимостей равновесных термодинамических параметров от температуры, закономерности распыления магнетиков вблизи точки Кюри (возрастание коэффициента распыления, уширение пятен Венера в пространственных распределениях и т. п.) хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Считаю приятным долгом выразить мою глубокую признательность Вере Евгеньевне Юрасовой. Без ее настойчивости, внимания и помощи — эта работа просто не появилась бы.

Отдельно хочется вспомнить то многолетнее сотрудничество с покойным М. В. Кувакиным, которое оказало на меня глубокое влияние.

Я благодарен коллегам, с которыми мы вместе работали и, в первую очередь Л. Б. Шелякину и дипломникам и аспирантам О. П. Иваненко, А. А. Промохову, работа с которыми была довольно плодотворной.

Хочется также поблагодарить коллег по кафедре электроники физического факультета МГУ В. С. Черныша, В. М. Буханова, В. А. Эльтекова, Э. Ф. Уразгильдина и всех других сотрудников кафедры за многократные и плодотворные обсуждения как всей работы, так и ее отдельных частей.

Мне представляются ценными замечания, высказанные Е. С. Машковой и В. А. Молчановым, я постарался учесть их при написании работы.