Плешивцев Н.В. Физические проблемы катодного распыления
Подождите немного. Документ загружается.
•
"* ,111
Ю 00
Рис.
17. Зависимость норми
рованного коэффициента распы
ления молибдена н золота от
энергии ионов, деленной на по
роговую энергию распыления
С so]
40
10 20 30
АО
z
60 60 70 80 90
Рис.
18. Зависимость приведенной пороговой энергии распыления
ионами aprcita от атомного номера пешества С.603
емого атома представлены на рис. 19. Здесь подучено теоретическое
подтверждение открь.той в 1961 г. Н.Лэгрейдом и Г. К. Венером £б1]
закономерности, что максимальный выход атомов достигается у тел
элементов, которые обладают заполненной ^оболочкой. Подобной
периодичностью обладает зависимость величины теплоты сублимации
ог атомного номера вещества.
10 20 30 40z50 SO 70 30 90
Рис.
19. Максимальные величины коэффициента распыления
для «оков аргона в зависимости от атомного номера распы
ляемого вещества £60]
Энергия, при которой достигается максимально! значение коэффи
циента распыления, определяется соотношением
На рис. 20 показана зависимость изменения этой энергии для ионов
аргона и ксенона от атомного номера распыляемого вещества. Имеет
ся хорошее согласие между теорией и экспериментом для ионов арго
на (табл. 15).
Рис.
20. Зависимость энергии t
ионов ксенона и аргоне, при ко 1
торой величина коэффициента I
распыления максимальна, от атом1
1 кого номера вешества [60} j
О А"»'» AO
z
SQ &70 Ю9в
Таблица 15
Мишень
кэВ
•Ла
Си.
Ли.
Pd
&п
Б
м
эксп
£
т
теор
во
63,e
40
42,2
100
10S.8
50 60
62 66,8
Можно предположить, что максимальная величина коэффициента
распыления будет найдена при научении коэффициентов "самораспыле
иия
г
веществ собственными ионами. На рис. 21 приведены данные
теоретических расчетов по формулам
•**„='A«>"V**/E:,,
(29)
%
L
sm
=3%67Z"*,
(30)
где E
s
s aB.
500
' I ' I ' i ' I ' I ' I ' A '
JlTi
'Q 10 20 30 40,50 6Q TO 80 90
Рис.21.
Зеьисимость максимальных величин коэффициен
та "самораспыпения* от атомного номера вещества [бО}
Впервые аналогичная зависимость была получена в 1961 г.
О.Е.Алмэном и Г.Брксом [62] . Найденные теоретические значения
указывают, что процесс самораспыления Б принципе ничем не отли
чается от обычного процесса распыления.
Значении расчетных параметров в формулах, полученных К.Каная
и др., а также расчетные значения коэффициентов самораспыпения
для 58 элементов приведены в табл. 18. Кроме того, в таблице
приведены ожидаемые максимальные величины коэффициентов распы
ления нонами аргона и ксенона для этих элементов и энергии ионов,
при которых они будут достигнуты. Иэ этой таблицы видно, в част
ности, что коэффициенты самораспыпения первой стенки ТЯР нэ лег
гих элементов пития, углерода, бериллия, бора будут на уровне
1,72,7
атом/ион при энергиях ионов 160190 кэВ, тогда как
для стенки из железа, никеля, ниобия и молибдена максимальные
величины коэффициента самораспыления ожидаются на уровне
1812 атом/нон при энергиях 280340 кэБ.
63
Таблица 16
Расчетные максимальные величины коэффициентов самораспыпения и распыления
для 58 элементов при облучении ионами аргона и ксенона, а также значения
параметров, входящих в формулы, полученные К. Каная, К.Ходжоу, К.Кога и К.Токи [60J
2
м
B
s
С*
Лг
+
Хе
+
Мишень
2
м
B
s
С*
а
^тох.
£т
а.
с
En,
1
2
3
4 5
е
7
8
в 10
ii
и
я
4,59
1,69
1,35 0,154 0,65
13,4 0,116 1,08
160
Se
4
12,3 3,48 2,58 0,149 1,26 14,7 0,114 2,32
16S
в
5
13,7 5 2,7 0,14 7 1,38 16,3 0,113 2,55 181
с
6
11.3 7,41 1,87 0,144 1 18,3 0,112 0,88 191
Ла
11
2,4В 1,11
6,38
0,134 2,0 22,9
0.107
7,2
215
12
4,31 1,59 8,9 0,132 3,5 24,4 0,106 9,69
225
13
6,04 3,26
6,5
0,13 2,54 25,2 0,105 7,74
226
Si
14
5,04 3,01 5 0,129 1,97 26,7 0,104 5,83
236
Р
15
4,55
1,37
14 0,128 5,2 28,4
0,103
16,4 237
S
16 3,75
2,89 6 0,126
2,28
26,9
0,103 6,88 24 5
ас
19
1,31 0,85 9 0,123 3,3 31,8 0,101
Ю,7
254
Са
20
2,31
2,1
6,85 0,122 2,4 33,4 0,101
7,7 255
Sc
21
4,03
3,08
8,7 0,121
2,8
33,4
0,100 9,9
255
TL
22
5,66 4,34 9,25 0,119
2,9
34,3 0,090 10,2
257
V
23
6,63 3,7 13,4 0,118 4.0G 35,2 0,090 15,1
25Й
о
24
7,64
3,68
16,5 0,118 5,1 35,0
0,009
18,1
267
Продолжение
табл. 16
X
2
3
4
5
6 7
8
9
to
11
Mrr
25
8,01 3,15
21,4
0,117 6,4
37,6
0,098
25,7
268
Ге
26
8,48 4,15
18
0,116
5,3
39
0,098
19,4
278
Со
27
8,9
4,38
ia,i
0,115 5,65
39,9
0,097
19,9
279
Ж
28
9,03 4,41
19,9
0,115
6
41,8
0,097
20,6
280
Си
29
8,52 3,56
24,6
0,114
7
42;2
0,096
25,1
285
Zn
30
6,48 1,19
58,2
0,113
16
43,5
0,096
59,8
290
Go
31
5,12 2,27
25,1
0,112
6,7
44,2
0,095
25,3
291
Ge
32
4,53 3,77
14
0,112
3,7
45,2
0,095
13,7
294
Jls
ЗЯ
4,61 1,32
42,5
0,111
11,1
46,4
0,095
40,7
299
Se
34
3,67 2,67
17,4
0,11 4,35
47,2
0,094
16,5
300
RE
37
1,08 0,81
18,8
0,108 4,65
50,9
0,093
16,8
314
Sr
38
1,79 2,08
12,5
0,108 3,12
S2.2
0,093
11,1
318
У
39
3,09'
3,92
11,9
0,107
3,05
53,6
0,092
7.5
325
Zr
40
4,31 5,43
12,5
0,107 2,97
54,9
0,092
10,5
330
Ж
41
5,45
7,5
11,8
0,106 1,87
56,2
0,092
9,8
336
JUo
42
6,39
6,9
15,5
0,106
3,7
57,3
0,091
12,8
339
7fc
43
6,69
5
23,1
0,105 5,45
58,5
0,091
18,5
342
Ru
44
7,26
5,7
22,7
0,105
5,4
59,6
0,091
17,8 345
.
Rh
45
7,25
5,3
25,1
0,104 5,85
61,1
0,09
19,5
352
Pd
46
6,47
4,8
25,4
0,104 5,85
62
0,09
19,3
354
Окончание
табл.
16
1
2
3
4
6 6 7
8
9
10
11
Ад
ей
47
5,85 2,7
42,1
0,103
9,7
63,6
0,09
31,5
361
Ад
ей
48
4,66
1,17
79,9
0,103
18
64,6
0,09
58,4
362
Эп
49
3,81 2,33
33,6
0,102
7,4
66
0,089
24,1
366
Sn
50
3,63
3
25,5
0,102
5
66,8
0,089
17,8
368
se
51
3,07
1,75
38
0,101
8,1
68,1
0,088
26,7
372
Те
52
2,94 2,41
27,1
0,101
5,7
68,5
0,088
17.9
372
CS 5S
0,85
8
2,55
0,099
1,38
73,1
0,087
1,59
389
За
56
1,66
2,2
12,9
0,099
3,87
74,3
0,087
11,6
391
La
57
2,67
4 16,7
0,099
3,42
75,2
0,087
10,2
397
H
J
72
4,48
7,3
21
0,093
3,8
96
0,083
9,6
469
Та
73
5,52
8,7
22,2
0,093
4,1
97,7
0,083
10 472
W
74
6,09 8,76
24,7
0,093
4,5
98,7
0,083
11,1
476
Re
75
6,64 8,2
29,4
0,093
5,3
100,2
0,083
12,9
480
Os
76
7,07
7,5
34,7
0,092
6,2
101,4
0,083
14,8
484
3r
77
6,99
7,1
3e,9
0,092
6,6
102,8
0,082
15,6
488
Pt
78
6,61 5,56
45,4
0,092
3,1
104,3
0,082
18,7
496
Ли
79
5,90
3,92
54,5
0,091
10,4
105,8.
0,0S2
23,6 5O0
%
80
4,28
0,645
262
0,091
46
107,2
0,082
104 504
%
81
3,5
1,74
81
0,091
14
108,5
0,082
31,7
508
Ft,
82
3,28 2,04
65
0,091
11,2 109.9
0,081
24,6
512
Bi
ЬЗ
2,79
2,06
54,3
0,09
9,7
111,4
0,081
21,1
516
Th
90
3,09
6,5
21,9
0,088
3,68
121,3
0,08
7,2
548
N
- в 10
атом/см
, £ - в зВ, S.
max
, S
moJL
—
в
атом/ион,
<х- в А, £ - в кэВ.
Полученные количественные соотношения евторы теории считают
первым приближением. Для более точного сравнения теории с экспери
ментальными данными можно получить более корректные значения па
раметров Л_ . £•£ и
оС
, которые были выбраны в данных расчетах
эмпнрнческъ', поскольку они не зависят от теоретических предпосылок.
3.5.
Зависимость коэффициента распыления
от угла падения иона
Исходя из простого соображения об увеличение* выхода смещен
ных атомов на твердого тела при увеличении угла падения нонов {от
счет угла & от нормали) за счет сокращения длины пути атомов
к поверхности, следует записать
S(6)=S(o)/cos9. on
Однако многочисленные экспериментальные данные
С
7 } указывают
на значительные отклонения от этой простой зависимости. Более вни
мательное рассмотрение этого вопроса П.Зйгмундом [ 53
Д
выявило
сложный характер угловой зависимости коэффициента распыления. Тор
можение иона в вешестве зависит от отношения масс атома мишени
и иона, а также от потенциала взаимодействия между частицами, ко
торый изменяется по мере торможения иона а веществе. Для не слиш
ком скользящих углов падения теория дает соотношение
S(9)~S(0)/ce&e
f
. . (32)
Показатель jf =
1,7*1,0
для М
2
/М^ 0,1*10. При углах падения
ионов, близких к касательным, максимальное значение коэффициента распыле
ния для
Pig/M/
=
Ю не должно превышать 1,5 S {О), при Л^/А^ = {
S (~90°) = (4,5*6).$ (О). Когда Я
4
/М, = 0,1*0,6, теория
не дает однозначного ответа (рис. 22). Сравнение теоретической зави
симости с экспериментами давало хорошее согласие (рис. 23,а). Одна
ко последние измерения зависимости коэффициента распыления от угла
падения нонов инертных газов с энергиями 0,52 кэЕ£бЗ] (рис.23,б,в),
а также измерения других авторов указывают на отклонения от теоре
тических предсказаний. В этом направлении следует продолжить экспери
ментальные и теоретические исследования. °*7
Рис.22.
Расчет по формуле
П. Зигмунда J5 3 J отношения
величин коэффициента распы
ления при скользящем и пер
пендикулярном углах падения
иолов в зависимости от отно
шения масс атома вещества
и иона для двух значений по
казателя степени в потенци
але взаимодействия
О
3,6. Зависимость коэффициента распыления
от температуры мишени
Зависимость коэффициента распыления от температуры мишени
исследовалась во многих работах £ 7 ]. Наблюдались сложные к часто
противоречивые изменения коэффициента распыления от температуры.
При хорошо обезгаженном вольфраме при температурах выше 1600 К
коэффициент распыления ионами лития, калия, натрия и рубидия по на
мерениям В.А,Шусгрова н др. £64] не зависел от температуры вплоть
до 2000 К. С другой стороны, в опытах С.Я.Лебедева к др. [б«]
по распылению вольфрама и ряда других металлов и графита ионами
цезия с энергией 210 кэВ в диапазоне температур 7001100 С на
блюдалось увеличение коэффициента распыления в 1,52 р ja.
В экспериментах Р.С.Нельсона [6в] по распылению серебра, меди,
золота, германия ионами ксенона с энергией 45 кэВ наблюдалось рез
кое,
экспоненциальное, возрастание величины коэффициента распыления
при температурах 650900 С.
Существующие теории катодного распкпения не рассматривают
влияние температуры на величину коэффициента распыления. Из терми
ческой теории распыления М.В.Томсона и др. [67] следует, что в теп
ловом клине в течение короткого времени средняя теми*;ратура дости
68
10
9
. | 1 1
8
\
_
\
\
?'
?
\
_
\
\
£ 6
— Ч
• ~^ч ~
V
— -*^
^^~\\ Л1=С2
С" 4
а
11
3
1
1
, 1 1 1
С
1/
Ш
V
м
.
30 60
Угол падения,&
6
i.°
1
Xe+tCu.
/\ ]
.2,0
<,5
'Ж,
*
30"
60° 90°
Угол падения,fi
30° SO
0
Угол падения, б
Рис.
23, Сравнение зависимости коэффициента распыления от угла
падения ионов с законом секанса и формулой П.Знгмунда £53, 11]:
а - распыление меди нонами аргона с энергией 20-30 кэВ; б -
распыление меди ионами аргона. С энергией 1 кэВ; в - распыление
меди ионами ксснонг* с энергш-я 0
Г
Л-— кэВ