Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления

Подождите немного. Документ загружается.

га

Sis

Cu

a Ulermer

6A. д л

о Автёп

е.а.. о"

*+**,

«6«в

'°

•

lifehntz

е.а.

•

Gu.se

га.

•

.Rlmen.

е.а,.

Ъирр

во.-

Sto

•

Перигеи.

1 _

~А-<*

/Ь+^Си.

£.кэВ

SI5

Аг^-Си.

a Ve/ines в.а.

о Yards e.a.

•

Gusenn

о Мтеп е.а.

tvttuinjeU S=Q0V6<6T„/U

iSeuttonea

го

sis

a ViAnes e.a.

Ш еТаГ

о *&€тёа

е.а.

/И»

—См.

u№M

-S*404Z«l.&

(E№,

РИС.

13.

Сравнение велич. коэффициента распыления, рассчитанных

по

формулам П.Зиплунда,

с результатами измерений различных авторов

f53] при

бомбардировке меди ионами:

а 

Хе

б Кг* ; в -Дг+ ; г /Ve*

ii 1 г-г-п

'"6

„%•'•

о Weknez е. о.

J^N

га

о JUtnin. е.а.

• Gusetfa.

о У^

га

 • «£lml/i е.а..

Sis

Хе

-*Л

L**r'

....

Ю"'

Е,нзВ

a MiKnkt е.

"а."

\Alrtlin. ea

rn Gusetra,

Лг

—.Лд

•

го

• л

xfC&juretl

• FbicitLc е.а.

^»L

Sis

• о ЛгЙ е.а.

^»L

чЛДтеп.

е.а.

ПЭГ . .

г f

. . ..

10'

"Ё.«в

ю-

с,/гэД

а Vehaei е.а.

<А&пеп

е.а.

д ЗСсуигеК

№

*~А$

Е,кэВ

Рис.

14. Сравнение величин коэффициента распыления серебре, рассчитанных по формулам

П.Зигмунда, с результатами намерений различных авторов [53] при бомбардировке различ

ными ионами: а  Хе

1 б  Kf ; в  ^/"

; г  Ne

от 0,5 до 3. Согласие с эксперимен^м очень хорошее, причем даже

в области электронвольтных энергий, за исключенном *32? —Си,.

На рис. 14 показаны подобные кривые распыления для серебре.

В данном случае согласие теории с эксиериментом не столь .хорошее,

как для меди. Возможная причина расхождения состоит в том, что

в некоторых экспериментах использовались тенстурированные образцы.

Теоретические кривые лежат несколько ниже экспериментальных

(за исключением неона), но при распыления ионами инертных газов

палладия все они легли выше экспериментальных кривых.

П.

Зигмунд

делает вывод, что такова точность формулы, предсказывавшей абсо

лютные значения выхода. Неожиданно хорошее согласие теории с экс

периментом получено при сравнении кривых

ра*.

пыпеиия кадмия и иин

ка нонами аргона.

В табл. ii проведено сравнение величин коэффициента распыле

ния ряда металлов, рассчитанных по теории П,3игмунда (показаны

в скобках) с экспериментальными значениями, полученными при рас

пылении нонами инертных газов с энергией 45 кэВ [ill .

Теоретические величины, как видно из табл. 12, для ванадия,

тантала, молибдена, олова, вольфрама, железа и свинца превышают

экспериментально измеренные в 24 раза, тогда как для меди, золо

та, серебра имеется хорошее согласие между теорией я эксперид ен

том.

Сравнение коэффициентов распыления аморфных окислов и соответ

ствующих металлических поликристаллов не показало существенных

различий между ними. В некоторь'х случаях выходы аморфных вешеств

оказались даже большими, чем выходы поликристаллов. Однако коли

чественное сравнение с теорией невозможно, поскольку она применима

только л моноатомным мишеням. Подобное заключение можно сделать

и для карбидов металлов.

Итак, можем сделать вывод, что теория П.Зигмунда дает правиль

ное предсказание значений коэффициента распыления для поликрнстал

пических и аморфных одноатомных мишеней в широком диапазоне экер

Таблица 11

Экспериментально измеренные коэффициенты распыления

ряда металлов и рассчитанные по теории П. Зигмунда

(ь скобках) для ионов с энергией 45 кэВ [11]

Металл

Ц,«в

*«

Коэффициент распылении, атом /ион

Ц,«в

*«

J/e*

At*

Хъ*

| асе*

Р£

2,01

82 3,6 10,5

(29,7)

24,0

(44,4)

44,5

(74,6)

•Ц

2,94 47

4,5 10,8

(12,7)

23,5

(20,1)

36,2

(24)

3,11 50 1,8

4,3

(12,5)

8,5

(19,5)

11,8

(24,9)

Си

3,4в

29 3,2

(3,7)

6,8

(6,7)

11,8

(11,9)

19,0

(15,5)

Ли

3,79

79 3,6

20,2

(16,1)

24,5

(23,9)

эе.о

(27,8)

3,87

46 2,5 5,3

(9,24)

10,5

(14,1)

14,4

(18,1)

4,29

1,3

2,3

(5,15)

4,0

(8,92)

4,9

(11,7)

4,43 28

1,4

3,5

(5,35)

5,6

(9,01)

7,6

(и,а)

5,3 23 0,3

1,0

(3,85)

1,7

(6,21)

1,9

(8,9)

5,8Й

1,9

5,3

(9,35)

11,3

(15,3)

16,0

(19,2)

6,8Й

42 0,6

1,5

(5,14)

2,7

(7,70)

3,8

(10,1)

Та

8,06 73 0,7

1,6

(6,62)

3,1

(10,0)

4,0

(12,3)

8,70

1,0

2,3

(5,07)

4,7

(9,31)

6,4

(11,9)

Таблица 12

Сравнение теоретических значений коэффициента

распыления по формуле П.Зигмунда с экспери

ментальными величинами, приведенными в табл. 11(

Металл

Jti*

Ot-i.*

ссе*

Р6

2,8

1,S5

1,7

1.2

0,85 0,66

2,9

2,3

2,1

Си

0,99 1,0

0,815

Ли

1,6

0,975

0,71

1,75 1,35 1,25

2,2 2,2

2,4

JtL

1,5

1,6 1,6

3,85 3,6S 4,7

1,8

1,35 1,2

3,4

2,85

2,65

Та

4,15 3,2

3,1

2,2 2,0

1,85

гий  от 0,4 до 1000 хэВ, однако в ряде случаев они на 2004 J0%

отличаются от экспериментальных. Для получения более точных чис

ленных значений необходимо использовать экспериментальные 'репер

ные

данные. С другой стороны, желат&льно провести тщательное

сравнение других теоретических формул с экспериментальными дан

ными. Мы имеем в виду формулы, полученные ЮВ.Булгаковым [56},

Р.С.Пнэом /57J , Д.Т.Го^маном и А.Симоном [58] ,

Ю.

А.Рыжовым

и И.И.ШхарРаном [59] ,

Конхн Каная, К.Хойоу, К.Кога и К.Токи [бО] построили теорию

торможения заряженных частиц в твердом теле, основанную на лнк

хардоеском степенном потенциале взаимодействия между атомами:

где

—

показатель степени, изменяющийся

от S



для

соударений

типа твердых шаров

до 1



для

реэерфордовских соударений. Они пред

положили,

что

первое соударение иона

атомом металла является

типа слабо экранированного

(

= 2) или

реэерфордовского типа,

а последующие соударения смешенных атомов подобны столкновениям

твердых шаров

(/7

5).

Исходя

из

этих предположений были получе

ны выражения

для

максимального коэффициента распыления &тах.

•

соответствующей

ему

энергии нона/^

универсальная кривая выход



энергия:

тах,

^'^C^/(e.

) ,

(20)

fC(t

*^); (2D



постоянная, характеризующая материал; V^,

и У^



величины,

за

висящие

от

типа передачи энергии

от

налетающей частицы атомам

мишени;

С/

эффективный радиус атома;

d$j

приведенная энергия

смешения, связанная

приведенной пороговой энергией:

=J.6

ЧМ,-М

где

•d

масшт

абный фактор, определяемый

из

соотношения

^^(ФфлЯ/ЗпЧ*;

(23)



приведенная энергия,

см.

(16);

0,3fO,4



максимальная

приведенная энергия

для

различных моделей атома.

На рис.

представлена зависимость нормированного коэффициен

та распыления меди

от

приведенной (нормированной) энергии ионов

аргона. Пунктирной линией отмечено нормированное поперечное сече

ние торможения ионов аргона.

Там же

показаны переходные области

Рис.

15. Зависимость нормированного коэффициента распыления меди

от нормированной энергии ионов аргона, рассчитанная по формуле

К.Каная и др. ОЗОД . О  Wehner е.а. А  Keywell

Ш  Weijsenfeld А  Dupp е.а. О  Almen е.а.

#  Капауа е.а.

•r™i—i |—г

. &Р Snw&Ti fiwflff

)

• AQ 12 63 17 Keyweu Лтёл*.а.

. * W 6 62 21 Cu5*va

' Sn 566 1.96 Abmn e. *.

о Nf 6 Овкг&ЗЗ Laegtejc

» F« 5 39 «5 t

* Hf 4 96 303 Wrtmer

Э.56 , .

S^ .•

E/Emi

Рис.

16. Универсальная зависимость кг эффипяента распыления ряда

металлов от нормированной энергии ионов аргона [б0]

изменения показателя /? в потенциале взаимодействия и масштабного

фактора. Нормированная кривая распыления находится в хорошем сог

ласии с экспериментами в широком диапазоне энергий от 50 эВ

до 500 кэВ. На рис. 16 показаны нормированные энергетические зави

симости коэффициента распыления для 7 различных металлов, облучае

мых ионами аргона. Теоретические и экспериментальные максимальные

значения коэффициента распыления находятся в хорошем согласии

и для других ионов, например Я**, /л*, Л/* , *й/*(см. рис.21).

3.3,

Пороговая энергия распыления

Под пороговой энергией распыления с. понимается та минималь

ная энергия, обладая которой нон может выбить атом из твердого тела

в результате одного столкновения при максимальном коэффициенте пе

редачи энергии:

ь№&ь

•

где с*  энергия сублимации атома вещества. Если энергию Налетаю

щего иона выражать в долях пороговой энергии распыления, можно по

лучить некоторые интересные выводы.

Г. Л. Бай, Дж. Рот и Дж. Богданскнй [SO] провели исследования по

роговой энергии распыления молибдена и золота легкими ионами. Ре

зультаты этих исследований представлены в табл. 13. Оказалось, что

при распылении легкими ионами как энергетическая зависимость, гак

и зависимость от заряда иона определяются пороговой энергией вплоть

до 20 £

В этой области энергий коэффициент распыления можно записать

в виде

s~W§J , 'ад

где С(  коэффициент, зависящий от атомного номера и массы иона

и материала мишени.

Значения '{ (л.) приведены в табл. 14.

Таблица 13

Пороговые энергии распыления молибдена и золота

легкими ионами fSOj

эВ/атом

Экспери

менталь

ная £'

Теоретическая £\

по формуле (24)

эВ в приведенных

еруляиах (С )

Молибден 6,89

н*

245

169 36,4.10"

120

18,2.10'

r;w

6.10"

«Не*

55 4S

4,6.10"

3,93

И*

«Не

230 196 18,2.10™

135 99 9,1.10"'

67 3,0.10"

55 50 2,3.10"

Таблица 14

Отношение коэффициентов распыления Q{JC

)

для молибдена и золота в пороговой области энергий

для легких ионов С50]

Мишень

Ион

«Не*

V (оцемкк)

Молибден

Золото

3,1

2,5

11,5

6,2

19,0

9,4

(3,2)

(3,8)

На рис. 17 показана зависимость нормированного коэффициента рас

пыления молибдена и золота от нормированной энергии легких ионов.

Величина Qx£ ) равна 1 для молибдена и 5,8 для золота.

К. Каная и др. [t?CQ получили соотношение для приведенной поро

говой энергии распыления:

£ = &L -

ам

г&

. (26)

На

рис,

показана периодическая зависимость приведенной пороговой

энергии распыления ионами аргона от атомного номера веществе. Макси

мальными значениями t-t обладают С

3, /С, &€'^ Ti, У, Ct. ,*#£-

3.4. Максимальные значения коэффициента

распыления

Этот важный для практики вопрос имеет несколько аспектов

или направлений исследований. Желательно знать энергию иона, при

которой коэффициент распыления максимален. Интересно определить

вещество, которое имеет максимальный коэффициент распыленна дан

ным ионом, установить природу иона, который обладает максимально

возможным распыляющим действием. Необходимо рассмотреть другие

факторы, от которых ожидается сильная зависимость коэффициента

распыления.

Японские исследователи £60j получили ответ на некоторые из по

ставленных вопросов.

Из предположения, что пороговая энергия распыления пропорцио

нальна энерги.' сублимации (24), следует, что

= 6.5

•

iO~'°J^Jta

t t

(27)

• эмпирически полученная величина.

Максимальные величины коэффициентов распыления для нонов ар

гона со средней энергией в зависимости от атомного номера выбива