Ionforstøvning

Ionforstøvning er emission af atomer fra overfladen af et fast stof , når det bombarderes af tungt ladede eller neutrale partikler. Når det kommer til bombardement af en negativt ladet elektrode ( katode ) med positive ioner , bruges udtrykket "katodesputtering" også.

Opdagelseshistorie

Ionforstøvning blev opdaget i 1852 af W. R. Grove , som forsøgte at etablere en analogi mellem elektrolyse og "elektrificeringen" af en gas.

Oprindeligt kaldte nogle forskere dette fænomen "elektrisk fordampning", da metalelektroder i gasudladningsrør "fordampede" ved temperaturer, der var meget lavere end tilstrækkeligt til dette. Efterfølgende fik processen med destruktion og sputtering af metaller i gasudladningsrør navnet "katodesputtering", da hovedsageligt katodematerialet satte sig på rørenes vægge [1] .

Den fysiske mekanisme ved sputtering

Indkommende tunge partikler (oftest ioner) med en kinetisk energi større end en vis tærskel eV, der kolliderer med overfladen, kan forårsage emission af atomer og molekyler fra målet. Ved energier på flere hundrede elektronvolt overfører den indfaldende ion energi samtidigt til mange målatomer, som igen kolliderer med andre atomer i stoffet. Ved afslutningen af en serie af kollisioner opstår en lokal ligevægtsenergifordeling af atomer med en gennemsnitlig energi lig med eller større end et atoms arbejdsfunktion fra overfladen. De fleste af de atomer, der deltog i kaskaden af kollisioner, forbliver bundet i det faste stof, men et eller flere kan forlade overfladen [2] . ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }=20...50$ ${\mathcal {E}}_{t}$

For emissionen af et atom fra overfladen er det for det første nødvendigt, at det har en energi, der ikke er mindre end , og for det andet en hastighedsvektor rettet udad fra overfladen. For at disse betingelser skal være opfyldt, skal den indfaldende partikel overføre sit momentum til mindst flere målatomer (mindst tre). I denne henseende overstiger minimumtærskelenergien for en indfaldende partikel til sputtering arbejdsfunktionen med tilnærmelsesvis en størrelsesorden. ${\mathcal {E}}_{t}$ ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$

Sprøjtekoefficient

Sputteringskoefficienter for nogle metaller og forbindelser ved bestråling med Ar + ioner med en energi på 600 eV

Målmateriale	${\displaystyle \gamma _{\mathrm {sput} ))$
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

Sputteringskoefficienten er defineret som antallet af udsendte atomer pr. indfaldende ion og afhænger af massen af indfaldende partikler, deres energi og indfaldsvinkel samt af målmaterialet. ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {sput} ))$

Afhængighed af energien af indfaldende partikler

Sputteringskoefficienten, som er lig med nul, når den indfaldende ions energi er mindre end tærskelværdien, stiger hurtigt op til energier på flere hundrede elektronvolt, hvor sputtering bliver signifikant. I det tilfælde, hvor de relative atommasser af målmaterialet og den indfaldende ion er store og ikke for forskellige , er en god tilnærmelse for sputteringskoefficienten udtrykket [2] : ${\displaystyle Z_{t))$ $Z_{i}$ $(0{,}2\lesssim Z_{t}/Z_{i}\lesssim 5;Z_{t},Z_{i}>>1)$

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

, hvor .

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

Sputteringskoefficienten afhænger således af energien af de indfaldende partikler, af deres masse og af målmaterialet. Det skal bemærkes, at ovenstående formler kun er gyldige for monoatomiske ioner og neutrale atomer.

Ved høje energier af indfaldende partikler krænkes ovennævnte afhængighed på grund af det faktum, at dybden af deres indtrængning i materialet øges. Kollisionskaskaden sker dybere inde i overfladen, og atomerne i det nære overfladelag modtager mindre energi, hvilket gør dem mindre tilbøjelige til at blive udsendt. Som et resultat heraf har sputteringskoefficientens afhængighed af den indfaldende partikels energi et maksimum, hvorefter sputteringskoefficienten falder med en yderligere forøgelse af energien [3] .

Afhængighed af partiklernes indfaldsvinkel

Med en stigning i indfaldsvinklen i forhold til normalen til overfladen falder dybden af indtrængning af de indfaldende partikler i materialet. Kaskaden af kollisioner opstår tættere på overfladen, dens atomer modtager en større del af energien. Retningen af den hastighed, der tildeles de fortrængte atomer, er mere gunstig til sputtering. Men ved for store indfaldsvinkler øges sandsynligheden for refleksion af den indfaldende partikel af det elektriske felt på overfladen uden væsentlig energioverførsel til målatomerne. Således har sprøjtekoefficientens afhængighed af indfaldsvinklen et maksimum bestemt af formlen [4] : $\theta$

\theta _{max}={\frac {\pi }{2}}-\venstre[{\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)} }\right]^{1/2}

, hvor er Rydberg-konstanten .

R_{y}

Som det kan ses af ovenstående forhold, stiger energien med stigende ion . ${\displaystyle \theta _{max))$

Energi og vinkelfordeling af sputterede atomer

Ved har de sputterede atomer følgende energi- og emissionsvinkelfordelinger : ${\mathcal {E}}_{i}>>{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$ $\chi$

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

Fordelingsmaksimum nås kl . Siden eV er den karakteristiske energi for sputterede atomer omkring 1,5...3 eV, svarende til en temperatur på 15000-30000 K, hvilket er meget højere end nogen opnåelig ligevægtstemperatur [5] . ${\mathcal {E}}={\mathcal {E}}_{t}/2$ ${\mathcal {E}}_{t}\sim 3...6$

Negative manifestationer

Ionforstøvning fører til erosion af elektroderne på gasfyldte elektriske vakuumanordninger (især gasudladningslamper ), sonder , der anvendes til plasmadiagnostik , elektroder fra plasmakilder . For at reducere ødelæggelseshastigheden af elektroderne søger de at reducere ionernes energi; materialer med en lav sputteringskoefficient ( grafit , titanium ) anvendes.

Ansøgning

Ionforstøvning bruges hovedsageligt i mikroelektronikproduktion til tyndfilmaflejring og reliefætsning .

Denne proces bruges også i aluminiumsbuesvejsning for at ødelægge oxidfilmen på dens overflade.

Se også

Noter

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

Litteratur

Pleshivtsev NV Katodesputtering . — M .: Atomizdat , 1968.

Danilin B.S. Brugen af lavtemperaturplasma til aflejring af tynde film. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 s.

Forrester, T. A. Intense ionstråler. — M .: Mir, 1992. — 354 s. — ISBN 5-03-001999-0 .

Danilin BS, Kireev V. Yu. Anvendelse af lavtemperaturplasma til ætsning og rensning af materialer. - M. : Energoatomizdat, 1987. - 263 s.

Lieberman MA , Lichtenberg AJ Principper for plasmaudledninger og materialebehandling. - John Wiley & Sons, 2005. - ISBN 0-471-72001-1 .

Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Ion-plasmabehandling af materialer. - M . : Radio og kommunikation, 1986. - 232 s.

Popov VF, Gorin Yu. N. Processer og installationer af elektron-ion-teknologi. - M . : Højere. skole, 1988. - 255 s. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Vakuumprocesser og udstyr til ion- og elektronstråleteknologi. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 s. - ISBN 5-217-00726-5 .