Элементы теории ионного распыления

Классификация механизмов распыления

Все процессы ионного распыления можно разделить на 3 типа.

• 1. Распыление за счет атомных столкновений, характерное главным образом для металлов.
• 2. Распыление за счет электронных процессов возбуждения мишени, характерное, прежде всего, для диэлектриков.
• 3. Распыление за счет химических реакций.

При распылении 1-го типа возможны три режима (рис. 4.7). Реализация их в конкретной ситуации зависит от соотношения масс атомов, бомбардирующих частиц и мишени, а также от энергии первичных частиц.

Рис. 4.7. Режимы распыления за счет атомных столкновений.

Режим первичного прямого выбивания характеризуется таким соотношением масс ион-мишень и такой величиной энергии первичного иона, что возможно лишь малое число столкновений первично выбитого атома с атомами мишени, приводящих к его вылету за пределы мишени. То есть в этом случае атомы, выбитые из равновесных положений в результате ионно-атомных столкновений, получают энергию, достаточную для того, чтобы быть распыленными, но слишком малую для того, чтобы создать каскад выбитых атомов. Такой режим может реализоваться в одном из трех случаев:

• 1) при распылении любых мишеней любыми ионами с энергией вблизи порога распыления (порог распыления — минимальная энергия /?омин> ^ПР^И которой еще возможно распыление);
• 2) при распылении легкими ионами мишеней, состоящих из тяжелых элементов;
• 3) при распылении любых мишеней легкими ионами с энергией порядка сотен эВ.

Режим линейных каскадов характеризуется тем, что первично выбитый атом получает энергию, достаточную для создания каскада выбитых атомов, при этом пространственная плотность движущихся атомов мала. Этот режим реализуется преимущественно в случае распыления мишеней из элементов средних масс любыми ионами, кроме самых тяжелых и молекулярных с энергиями 1−100 кэВ.

Режим тепловых пиков, в отличие от режима линейных каскадов, характеризуется большой пространственной плотностью движущихся в результате упругих столкновений атомов. При этом плотность распределения атомов высока настолько, что большинство атомов внутри некоторого объема находятся в движении. Тепловые пики характерны для случая бомбардировки тяжелыми, больше 100 а.е.м., и молекулярными ионами с энергиями 1−100 кэВ любых мишеней. Термализация атомов внутри пика, вследствие переноса энергии из области наибольшей плотности вложенной энергии в окружающие области мишени и через поверхность во внешнюю среду, приводит к появлению на поверхности горячего пятна с линейными размерами порядка пробега первичного иона. Из области таких пятен, особенно из областей их перекрытия, при достаточной плотности тока первичных ионов возможно испарение атомов мишени.

Описание всех перечисленных режимов распыления типа 1 возможно в рамках единой теории, основанной на рассмотрении каскадов атомных столкновений. Основы, выводы и ограничения этой теории в некоторых ее математических трактовках будут описаны ниже.

В отличие от распыления типа 1, для описания распыления типа 2 в настоящее время нет хорошо развитой теории, хотя причины такого распыления, в общем, понятны, особенно в случае неметаллов. Дело в том, что в этом случае значительная часть энергии первичного иона идет на возбуждение электронной подсистемы материала мишени. Поскольку время жизни возбужденного электронного состояния в диэлектриках велико, то данное возбуждение может продиффундировать к поверхности и распасться с передачей выделяющейся при этом энергии поверхностному атому. Если электронное возбуждение распадается не на поверхности, то распыление может происходить с участием дефекта, образующегося в результате распада возбуждения и продиффундировавшего к поверхности.

Аналогично типу 1, в типе 2 также выделяют 3 режима распыления в зависимости от энергии первичных ионов: режим отдельных актов ионизации, режим линейных каскадов ионизации и режим плотных ионизационных пиков.

Для развития того или иного процесса (типа) распыления требуется совершенно определенный временной интервал, к тому же возможны ситуации, когда в одном акте распыления реализуются все описанные процессы. Эго послужило основанием для классификации распыления по времени. Эту классификацию можно представить в следующем виде.

Рассмотрим время от момента начала взаимодействия первичного иона с атомами мишени до момента релаксации возбуждения объема, «растревоженного» первичным ионом. Пусть взаимодействие начинается в момент / = 0, тогда в зависимости от t могут протекать следующие процессы:

• 1) за время 10 ¹⁵ < t < 10 ¹⁴ с происходят быстрые столкновительные процессы распыления, включающие прямые и близкие к прямым ионно-атомные и атом-атомные взаимодействия, в результате которых часть атомов покидает мишень;
• 2) за время 1(Г¹⁴< t < 10~¹² с (по некоторым данным 10^-13< t < 10^-11 с) энергия первичного иона распределяется между атомами отдачи путем прямых столкновений, развивается каскад столкновений, возникает поток смещенных атомов; выход распыленных атомов и их энергетический спектр описывается линейной каскадной теорией;
• 3) к моменту времени t ~ 10 ¹² с заканчивается протекание быстрых тепловых процессов. Энергия первичного иона и движущихся атомов отдачи становится меньше энергии смещения атомов из узлов решетки; в некотором ограниченном объеме, в котором произошел каскад столкновений, все атомы находятся в движении и постепенно термализуются. Возникает некая горячая область объема, называемая тепловым или термическим пиком (синонимы: упругостолкновительным пик, тепловой клин). Время существования этой области по разным данным 10^_11-10^_1° с, 10 ¹³— 10 «с, 1(Г¹²-10 ¹¹ с;^[1][2]
• 4) при t> 10 ¹¹ с или t > Ю-¹⁰ с происходят медленные тепловые процессы или наступает поздняя стадия. В случае металлов эти процессы характеризуются тем, что тепловой пик, достигая поверхности мишени, нагревает ее до температуры плавления (тем самым на поверхности возникает горячее пятно), в результате чего происходит испарение атомов. В случае полупроводников через указанное время включаются процессы распыления за счет электронного возбуждения. Сюда же необходимо отнести и пока мало изученные процессы химического распыления, а также механизмы распыления типа «кулоновского взрыва» и «ударной волны».

Для металлов процессы пп. 3), 4) могут быть существенны только при специфических условиях, подразумевающих большую величину плотности поглощенной мишенью энергии. Критическими параметрами этих условий являются массы первичных частиц и атомов мишени (должны быть велики), низкая величина поверхностной энергии связи; энергия первичных ионов должна соответствовать максимальной тормозной способности мишени.

• [1] Различия в терминологии и времени существования связаны с тонкостями понимания процесса
• [2] отдельными авторами и будут, по-видимому, скоро преодолены.