Pulverizare de ioni

Pulverizarea ionică este emisia de atomi de pe suprafața unui solid atunci când este bombardat de particule grele încărcate sau neutre. Când vine vorba de bombardarea unui electrod încărcat negativ ( catod ) cu ioni pozitivi , se folosește și termenul „pulverizare catodică”.

Istoricul descoperirilor

Pulverizarea ionică a fost descoperită în 1852 de W. R. Grove , care încerca să stabilească o analogie între electroliză și „electrificarea” unui gaz.

Inițial, unii cercetători au numit acest fenomen „evaporare electrică”, deoarece în tuburile cu descărcare în gaz electrozii metalici „s-au evaporat” la temperaturi care erau mult mai mici decât suficiente pentru aceasta. Ulterior, procesul de distrugere și pulverizare a metalelor în tuburile cu descărcare în gaz a primit denumirea de „pulverizare catodică”, deoarece în principal materialul catodic s-a așezat pe pereții tuburilor [1] .

Mecanismul fizic de pulverizare

Particulele grele care intră (cel mai adesea ioni) cu o energie cinetică mai mare de un anumit prag eV, ciocnind cu suprafața, pot provoca emisia de atomi și molecule ale țintei. La energii de câteva sute de electroni volți, ionul incident transferă energie simultan către mulți atomi țintă, care, la rândul lor, se ciocnesc cu alți atomi ai substanței. La sfârșitul unei serii de ciocniri, are loc o distribuție de energie de echilibru local a atomilor cu o energie medie egală sau mai mare decât funcția de lucru a unui atom de la suprafață. Majoritatea atomilor care au luat parte la cascada de ciocniri rămân legați în solid, dar unul sau mai mulți pot părăsi suprafața [2] . ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }=20...50$ ${\mathcal {E}}_{t}$

Pentru emisia unui atom de la suprafață, este necesar, în primul rând, ca acesta să aibă o energie nu mai mică de , și, în al doilea rând, un vector viteză îndreptat spre exterior de la suprafață. Pentru ca aceste condiții să fie îndeplinite, particula incidentă trebuie să-și transfere impulsul la cel puțin mai mulți atomi țintă (cel puțin trei). În acest sens, energia de prag minimă a unei particule incidente pentru pulverizare depășește funcția de lucru cu aproximativ un ordin de mărime. ${\mathcal {E}}_{t}$ ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$

Coeficient de pulverizare

Coeficienții de pulverizare a unor metale și compuși la iradierea cu ioni Ar + cu o energie de 600 eV

Materialul țintă	$\gamma _{\mathrm {sput} }$
Al	0,83
Si	0,54
Fe	0,97
co	0,99
Ni	1.34
Cu	2.00
GE	0,82
W	0,32
Au	1.18
Al2O3 _ _ _	0,18
SiO2 _	1.34
GaAs	0,9
Sic	1.8
SnO 2	0,96

Coeficientul de pulverizare este definit ca numărul de atomi emiși pe ion incident și depinde de masa particulelor incidente, de energia și unghiul de incidență a acestora, precum și de materialul țintă. $\gamma _{\mathrm {sput} }$

Dependența de energia particulelor incidente

Coeficientul de pulverizare, care este egal cu zero atunci când energia ionului incident este mai mică decât valoarea de prag, crește rapid până la energii de câteva sute de electroni volți, unde pulverizarea devine semnificativă. În cazul în care masele atomice relative ale materialului țintă și ionul incident sunt mari și nu prea diferite , o bună aproximare a coeficientului de pulverizare este expresia [2] : $Z_{t)$ $Z_{i}$ $(0{,}2\lesssim Z_{t}/Z_{i}\lesssim 5;Z_{t},Z_{i}>>1)$

\gamma _{\mathrm {sput} }={\frac {0{,}06}{{\mathcal {E}}_{t}}}{\sqrt {Z'}}\left({ \sqrt {{\mathcal {E}}_{i}}}-{\sqrt {{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }}}\right)

, unde .

Z'={\frac {2Z_{t}}{(Z_{i}/Z_{t})^{2/3}+(Z_{t}/Z_{i})^{2/3 }}}

Astfel, coeficientul de pulverizare depinde de energia particulelor incidente, de masa acestora și de materialul țintă. Trebuie remarcat faptul că formulele de mai sus sunt valabile numai pentru ionii monoatomici și atomii neutri.

La energii mari ale particulelor incidente, dependența de mai sus este încălcată datorită faptului că adâncimea de penetrare a acestora în material crește. Cascada de coliziune are loc mai adânc în suprafață, iar atomii din stratul apropiat de suprafață primesc mai puțină energie, ceea ce îi face mai puțin probabil să fie emisi. Ca urmare, dependența coeficientului de pulverizare de energia particulei incidente are un maxim, după care coeficientul de pulverizare scade cu o creștere suplimentară a energiei [3] .

Dependența de unghiul de incidență al particulelor

Odată cu creșterea unghiului de incidență față de normala la suprafață, adâncimea de penetrare a particulelor incidente în material scade. Cascada de ciocniri are loc mai aproape de suprafață, atomii săi primesc o parte mai mare a energiei. Direcția vitezei transmise atomilor deplasați este mai favorabilă pentru pulverizare. Cu toate acestea, la unghiuri de incidență prea mari, probabilitatea de reflectare a particulei incidente de către câmpul electric de pe suprafață crește fără un transfer semnificativ de energie către atomii țintă. Astfel, dependența coeficientului de pulverizare de unghiul de incidență are un maxim determinat de formula [4] : $\theta$

\theta _{max}={\frac {\pi }{2}}-\left[{\frac {5\pi a_{0}^{2}N^{2/3}Z_{i }Z_{t}R_{y}}{{\mathcal {E}}_{i}\left(Z_{i}^{2/3}+Z_{t}^{2/3}\right)} }\dreapta]^{1/2}

, unde este constanta Rydberg .

R_{y}

După cum se poate observa din relația de mai sus, odată cu creșterea energiei ionilor crește. ${\displaystyle \theta _{max})$

Energia și distribuția unghiulară a atomilor pulverizați

La , atomii pulverizați au următoarele distribuții de energie și unghi de emisie : ${\mathcal {E}}_{i}>>{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$ $\chi$

f({\mathcal {E)),\chi )\propto {\frac {\mathcal {E)} {({\mathcal {E))_{t}+{\mathcal {E)} ^ {3}}}\cos \chi

Maximul de distribuție este atins la . Din moment ce eV, energia caracteristică a atomilor pulverizați este de aproximativ 1,5...3 eV, corespunzătoare unei temperaturi de 15000-30000 K, care este mult mai mare decât orice temperatură de echilibru realizabilă [5] . ${\mathcal {E}}={\mathcal {E}}_{t}/2$ ${\mathcal {E}}_{t}\sim 3...6$

Manifestări negative

Pulverizarea ionică duce la erodarea electrozilor dispozitivelor electrice de vid umplute cu gaz (în special, lămpile cu descărcare în gaz ), a sondelor utilizate pentru diagnosticarea cu plasmă , a electrozilor surselor de plasmă . Pentru a reduce rata de distrugere a electrozilor, ei caută să reducă energia ionilor; sunt utilizate materiale cu un coeficient de pulverizare scăzut ( grafit , titan ).

Aplicație

Pulverizarea ionică este utilizată în principal în producția de microelectronice pentru depunerea filmelor subțiri și gravarea în relief .

Acest proces este folosit și în sudarea cu arc de aluminiu pentru a distruge pelicula de oxid de pe suprafața sa.

Vezi și

Note

↑ Pleshivtsev, 1968 , p. 5.
↑ 1 2 Lieberman, Lichtenberg, 2005 , p. 308.
↑ Ivanovski, Petrov, 1986 , p. 31-32.
↑ Ivanovski, Petrov, 1986 , p. 35.
↑ Lieberman, Lichtenberg, 2005 , p. 309.

Literatură

Pleshivtsev NV Pulverizare catodică . — M .: Atomizdat , 1968.

Danilin B.S. Utilizarea plasmei la temperatură joasă pentru depunerea filmelor subțiri. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.

Forrester, T. A. Fascicuri de ioni intense. — M .: Mir, 1992. — 354 p. — ISBN 5-03-001999-0 .

Danilin BS, Kireev V. Yu. Aplicarea plasmei la temperatură joasă pentru gravarea și curățarea materialelor. - M. : Energoatomizdat, 1987. - 263 p.

Lieberman MA , Lichtenberg AJ Principiile descărcărilor cu plasmă și procesarea materialelor. - John Wiley & Sons, 2005. - ISBN 0-471-72001-1 .

Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Prelucrarea materialelor ion-plasmă. - M . : Radio şi comunicare, 1986. - 232 p.

Popov VF, Gorin Yu. N. Procese și instalații de tehnologie electron-ion. - M .: Mai sus. şcoală, 1988. - 255 p. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Procese și echipamente de vid pentru tehnologia fasciculului de ioni și electroni. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 p. - ISBN 5-217-00726-5 .