ГЛАВА 3. Физико-химические основы процессов взаимодействия активных частиц плазмы с поверхностью

2. Физика процессов распыления материалов при ионной бомбардировке

Направленный на твёрдые тела ускоренный пучок ионов способен вызывать следующие эффекты взаимодействия ионов с поверхностью:

• Рассеяние (отражение) падающего иона. Этот эффект лежит в основе спектроскопии ионного рассеяния, позволяющей изучать как строение поверхности материала, так и фундаментальные характеристики  взаимодействия ионов с поверхностью. Процесс отражения часто сопровождается нейтрализацией иона.
• Выбивание электронов с поверхности мишени. Этот процесс аналогичен процессу вторичной электронной эмиссии, рассмотренному в главе 2 при описании тлеющего разряда постоянного тока.
• Внедрение (имплантация) иона  под поверхность, в объем мишени. Это явление получило название ионной имплантации и широко используется в технологии микроэлектроники для прецизионного легирования областей полупроводниковых пластин.
• Нарушение структуры приповерхностного слоя, которое может выражаться как в появлении точечных дефектов, так и в нарушении баланса зарядов и стехиометрического состава компонентов мишени. Все эти явления относятся к группе так называемых радиационных дефектов, борьба с которыми представляет одну из основных проблем современной микроэлектронной технологии на этапе перехода к субмикронным размерам элементов. Наиболее простым методом здесь является высокотемпературный отжиг материала после ионной обработки, который, однако, не всегда совместим с предшествующими технологическими операциями.
• Выбивание атомов мишени. Эмиссию частиц вещества под действием ионной бомбардировки принято называть ионным распылением или катодным распылением, что исторически связано с наблюдаемым разрушением катодов в газоразрядных приборах.

Первые модели, пытавшиеся объяснить распыление вещества, опирались на механизм термического испарения атомов с поверхности, нагретой до температуры испарения ионной бомбардировкой. В такой теории «локального разогрева» предполагалось, что катодное распыление есть результат испарения вещества из области, нагревающейся в месте удара бомбардирующего иона за счёт его кинетической энергии. Однако термические теории распыления не согласуются с экспериментальными результатами по распылению различных материалов. В настоящее время общепризнанным является импульсный (нетермический) механизм разрушения поверхности твёрдых тел под действием ионной бомбардировки. В рамках этой теории распыление поверхностных атомов есть результат обмена импульсами при столкновениях бомбардирующего иона с атомами и атомов решётки между собой.

Теория ионного распыления основана на предположении о парных упругих столкновениях. Для того чтобы атом оторвался от поверхности, ему должна быть сообщена энергия, превышающая энергию связи атома с поверхностью твёрдого тела. Следовательно, существует пороговая энергия , сообщаемая поверхностным атомам и равная энергии связи поверхностных атомов. Пороговая энергия распыления связана с энергией сублимации  соотношением

(1)

где , а  и  - массы распыляемых и бомбардирующих поверхность частиц, соответственно. В случае кинетических энергий, значительно превышающих пороговую, имеется весьма убедительное доказательство того, что распыление является результатом ряда независимых парных столкновений такого же типа, как если бы ион (или нейтрализованный ион) сталкивался с атомами облака газа. Здесь, конечно, решающую роль играют отдельные массы каждой из сталкивающихся частиц.

Физическое распыление материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления , который определяется количеством атомов, выбитых одним ионом: , где  - плотность потока распыленных атомов с поверхности,  - плотность потока ионов на поверхность. Для данного вещества и типа бомбардирующего иона коэффициент распыления является функцией энергии ионов (рис. 1,б), но зависит от ряда других факторов – заряда иона, угла падения иона, структуры и кристаллографической ориентации поверхности, температуры поверхности и др. Если бомбардировка поверхности осуществляется при нормальном падении ионов, то для эмиссии атомов с поверхности необходимо более чем одно столкновение, так как направление вектора импульса должно быть изменено более чем на 90 градусов. Распыление атомов, являющееся результатом единичного столкновения между ионом и поверхностным атомом, можно обнаружить только при наклонной бомбардировке.

С увеличением энергии ионов от  до 100 - 200 эВ интенсивность процесса распыления возрастает в 10³ - 10⁴ раз, при этом коэффициент  распыления составляет 0.1-0.4 атом/ион. При кинетических энергиях примерно 100 эВ ионы начинают внедряться в кристаллическую решетку мишени. Так для ионов Ar⁺ глубина проникновения в Cu равна приблизительно 1 нм/кэВ. По мере того, как происходит распыление, устанавливается равновесное состояние, при котором внедренные ионы распыляются так же, как атомы мишени. При  высокой кинетической энергии доминирующими явлениями становятся всё более увеличивающиеся объемные нарушения решетки и глубокое проникновение ионов. В результате коэффициенты распыления перестают возрастать пропорционально энергии ионов и достигают слабо выраженного максимума, который для более легких ионов соответствует значительно меньшим энергиям (для Н⁺ при 2 кэВ), чем для тяжелых ионов ( Hg⁺ при 50-100 кэВ).

a)	б)

Рис. 1. Возможные эффекты взаимодействия ионов с поверхностью (а) и коэффициенты распыления для некоторых материалов при их бомбардировке ионами Ar⁺

Экспериментально установлено, что коэффициенты распыления материалов изменяются значительно сильнее в зависимости от природы ионов (в 100 раз и более), чем от природы атомов мишени (в 10 раз). Коэффициенты распыления максимальны для ионов инертных газов и минимальны - для элементов, расположенных в центральных столбцах периодической системы элементов (Al, Ti, Zr, Hf и др.). При увеличении дозы, выражаемой в единицах ион/см², происходит накопление ионов в поверхностном слое мишени, в результате чего образуется своеобразный твёрдый раствор атомов мишени и бомбардирующих ионов. Коэффициент распыления в этом случае может резко измениться. Коэффициент распыления мишеней ионами одного и того же элемента также немонотонно зависит от номера элемента мишени, что связано с периодичностью изменения энергии связи атомов.

Теория распыления достаточно хорошо разработана для условий бомбардировки металлов монокинетическими ионами. Согласно теории Зигмунда коэффициент распыления может быть найден из уравнения:

(2)

где  и  - массы бомбардирующего иона и поверхностного атома, соответственно,  - энергия иона,  - угол падения иона на поверхность ( при нормальном падении) и  - функция отношения , которая монотонно возрастает с ростом данного параметра: =0.17 при = 0.1 и =1.4 при = 10.

Уравнение (3.2) справедливо при сравнительно малых энергиях первичных ионов (до 1000 эВ), когда их столкновения с атомами мишени можно рассматривать как упругие. При энергиях ионов более 1 кэВ следует учитывать зависимость коэффициента распыления от ядерной тормозной способности , при этом выражение для коэффициента распыления принимает вид:

(3)

Приведенные выше уравнения могут быть использованы для количественных оценок коэффициента распыления металлов при анализе и выборе режимов технологического процесса. Более строгие расчеты могут быть сделаны в рамках численного моделирования процесса распыления. Рассмотренные подходы справедливы при бомбардировке металлов монокинетическими ионными пучками. Но процессы ионного распыления монокинетическими пучками сравнительно редко применяются в технологии из-за их сравнительно малой производительности и сложности используемого оборудования. Гораздо чаще применяется ионно-плазменная обработка, теоретическое описание которой существенно усложняется немонокинетичностью и неоднородностью состава ионных потоков, эффектами переосаждения распыленных частиц и другими факторами.