В физике распыление — это явление, при котором микроскопические частицы твердого материала выбрасываются с его поверхности после того, как сам материал бомбардируется энергичными частицами плазмы или газа . [2] Это происходит естественным образом в космическом пространстве и может быть нежелательным источником износа прецизионных компонентов. Однако тот факт, что его можно заставить воздействовать на чрезвычайно тонкие слои материала, используется в науке и промышленности — там он используется для точного травления , выполнения аналитических методов и нанесения тонких пленочных слоев при производстве оптических покрытий. , полупроводниковые приборы и продукция нанотехнологий . Это метод физического осаждения из паровой фазы . [3]
Когда энергичные ионы сталкиваются с атомами материала мишени, между ними происходит обмен импульсом . [2] [4] [5]
Эти ионы, известные как «падающие ионы», вызывают каскады столкновений в мишени. Такие каскады могут идти разными путями; некоторые откатываются назад к поверхности цели. Если каскад столкновений достигает поверхности цели, а его оставшаяся энергия превышает энергию связи поверхности цели , атом будет выброшен. Этот процесс известен как «напыление». Если цель тонкая (в атомном масштабе), каскад столкновений может достичь ее задней стороны; Говорят, что атомы, выброшенные таким образом, избегают поверхностной энергии связи «при передаче».
Среднее количество атомов, вылетающих из мишени на один падающий ион, называется «коэффициентом распыления». Производительность распыления зависит от нескольких факторов: угла, под которым ионы сталкиваются с поверхностью материала, с какой энергией они ударяют по ней, их массы, массы атомов мишени и энергии связи поверхности мишени. Если мишень имеет кристаллическую структуру, важным фактором является ориентация ее осей относительно поверхности.
Ионы, вызывающие распыление, происходят из различных источников — они могут поступать из плазмы , специально сконструированных источников ионов , ускорителей частиц , космического пространства (например, солнечного ветра ) или радиоактивных материалов (например, альфа-излучения ).
Моделью описания распыления в каскадном режиме аморфных плоских мишеней является аналитическая модель Томпсона. [6] В программе TRIM реализован алгоритм, моделирующий распыление на основе квантово-механической обработки, включающей отрыв электронов при высоких энергиях . [7]
Другой механизм физического распыления называется «распылением с тепловым пиком». Это может произойти, когда твердое тело достаточно плотное, а входящий ион достаточно тяжелый, и столкновения происходят очень близко друг к другу. В этом случае приближение бинарных столкновений уже не справедливо, и процесс столкновений следует понимать как многочастичный процесс. Плотные столкновения вызывают тепловой всплеск (также называемый тепловым всплеском), который по существу плавит небольшую часть кристалла. Если эта часть находится достаточно близко к ее поверхности, большое количество атомов может быть выброшено из-за потока жидкости на поверхность и/или микровзрывов. [8] Тепловое распыление наиболее важно для тяжелых ионов (например, Xe или Au или кластерных ионов) с энергиями в диапазоне кэВ–МэВ, бомбардирующих плотные, но мягкие металлы с низкой температурой плавления (Ag, Au, Pb и т. д.). Распыление тепловыми пиками часто увеличивается нелинейно с увеличением энергии и может для небольших кластерных ионов привести к впечатляющему коэффициенту распыления на кластер, порядка 10 000. [9] Анимацию такого процесса см. в разделе «Re: Displacement Cascade 1» в разделе внешних ссылок.
Физическое распыление имеет четко определенный минимальный энергетический порог, равный или превышающий энергию иона, при котором максимальная передача энергии от иона к атому мишени равна энергии связи поверхностного атома. То есть это может произойти только тогда, когда ион способен передать мишени больше энергии, чем требуется атому для отрыва от ее поверхности.
Этот порог обычно находится в диапазоне от десяти до ста эВ .
Преимущественное распыление может происходить вначале, когда бомбардируется многокомпонентная твердая мишень и отсутствует твердотельная диффузия. Если передача энергии к одному из целевых компонентов более эффективна или он менее прочно связан с твердым телом, он будет распыляться более эффективно, чем другой. Если в сплаве АВ распыляется преимущественно компонент А, то поверхность твердого тела во время длительной бомбардировки обогащается компонентом В, тем самым увеличивая вероятность распыления компонента В, так что состав распыленного материала в конечном итоге вернется к АБ.
Термин «электронное распыление» может означать либо распыление, индуцированное энергичными электронами (например, в просвечивающем электронном микроскопе), либо распыление очень высокоэнергетическими или сильно заряженными тяжелыми ионами, которые теряют энергию твердому телу, в основном за счет электронной тормозной способности , где электронные возбуждения вызывают распыление. [10] Электронное распыление обеспечивает высокую производительность распыления изоляторов , поскольку электронные возбуждения, вызывающие распыление, не гасятся немедленно, как это было бы в проводнике. Одним из примеров этого является покрытая льдом луна Юпитера Европа , где ион серы МэВ из магнитосферы Юпитера может выбросить до 10 000 молекул H 2 O. [11]
В случае нескольких заряженных ионов-снарядов может иметь место особая форма электронного распыления, которая получила название потенциального распыления . [12] [13] В этих случаях потенциальная энергия, запасенная в многозарядных ионах (т.е. энергия, необходимая для образования иона этого зарядового состояния из его нейтрального атома), высвобождается при рекомбинации ионов при ударе о твердую поверхность (образование полых атомов ). Этот процесс распыления характеризуется сильной зависимостью наблюдаемых коэффициентов распыления от зарядового состояния падающего иона и может происходить уже при энергиях удара иона значительно ниже физического порога распыления. Потенциальное распыление наблюдалось только для определенных видов мишеней [14] и требует минимальной потенциальной энергии. [15]
Удаление атомов путем распыления инертным газом называется ионным фрезерованием или ионным травлением .
Распыление также может играть роль в реактивно-ионном травлении (РИЭ), плазменном процессе, осуществляемом с химически активными ионами и радикалами, при котором производительность распыления может быть значительно увеличена по сравнению с чисто физическим распылением. Реактивные ионы часто используются в оборудовании масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) для повышения скорости распыления. Механизмы, вызывающие усиление распыления, не всегда хорошо изучены, хотя случай травления Si фтором хорошо смоделирован теоретически. [16]
Распыление, происходящее ниже пороговой энергии физического распыления, также часто называют химическим распылением. [2] [5] Механизмы такого распыления не всегда хорошо понятны, и их трудно отличить от химического травления . Можно предположить, что при повышенных температурах химическое распыление углерода происходит из-за того, что поступающие ионы ослабляют связи в образце, которые затем десорбируются за счет термической активации. [17] Распыление углеродных материалов, вызванное водородом, наблюдаемое при низких температурах, было объяснено тем, что ионы H проникают между связями CC и, таким образом, разрушают их. Этот механизм получил название быстрого химического распыления . [18]
Распыление происходит только тогда, когда кинетическая энергия входящих частиц намного превышает обычную тепловую энергию ( ≫ 1 эВ ). При работе на постоянном токе (напыление постоянным током) используют напряжение 3-5 кВ. При использовании переменного тока ( ВЧ- напыление) частоты находятся в диапазоне 14 МГц.
Очистить поверхности твердых тел от загрязнений можно с помощью физического напыления в вакууме . Очистка распылением часто используется в науках о поверхности , вакуумном осаждении и ионном нанесении покрытий . В 1955 году Фарнсворт, Шлиер, Джордж и Бургер сообщили об использовании распылительной очистки в системе сверхвысокого вакуума для подготовки сверхчистых поверхностей для исследований дифракции низкоэнергетических электронов (LEED). [19] [20] [21] Очистка напылением стала неотъемлемой частью процесса ионного осаждения . Когда очищаемые поверхности большие, можно использовать аналогичный метод — плазменную очистку . Очистка распылением имеет некоторые потенциальные проблемы, такие как перегрев, попадание газа в приповерхностную область, повреждение в результате бомбардировки (радиации) в поверхностной области и придание поверхности шероховатости, особенно если перестараться. Важно иметь чистую плазму , чтобы не допускать постоянного повторного загрязнения поверхности во время очистки распылением. Повторное осаждение распыленного материала на подложке также может вызвать проблемы, особенно при высоких давлениях распыления. Распыление поверхности соединения или сплава может привести к изменению состава поверхности. Часто вещества с наименьшей массой или самым высоким давлением пара предпочтительно распыляются с поверхности.
Напыление — это метод нанесения тонких пленок путем распыления, который включает в себя эрозию материала из «целевого» источника на «подложку», например, кремниевую пластину , солнечный элемент, оптический компонент или многие другие возможности. [22] Повторное распыление , напротив, включает повторное излучение осажденного материала, например SiO 2 во время осаждения, также посредством ионной бомбардировки.
Распыленные атомы выбрасываются в газовую фазу, но не находятся в состоянии термодинамического равновесия и имеют тенденцию осаждаться на всех поверхностях вакуумной камеры. Подложка (например, пластина), помещенная в камеру, будет покрыта тонкой пленкой. Для осаждения распылением обычно используется аргоновая плазма, поскольку аргон, благородный газ, не вступает в реакцию с материалом мишени.
Повреждение распылением обычно определяется во время осаждения прозрачных электродов на оптоэлектронных устройствах, которое обычно возникает в результате бомбардировки подложки высокоэнергетическими частицами. Основные виды, участвующие в процессе, и репрезентативные энергии могут быть перечислены как (значения взяты из [23] ):
Как видно из списка выше, отрицательные ионы (например, O- и In- для распыления ITO), образующиеся на поверхности мишени и ускоряющиеся к подложке, приобретают наибольшую энергию, которая определяется потенциалом между потенциалами мишени и плазмы. Хотя поток энергичных частиц является важным параметром, высокоэнергетические отрицательные ионы O - также являются наиболее распространенными частицами в плазме в случае реактивного осаждения оксидов. Однако энергии других ионов/атомов (например, Ar + , Ar 0 или In 0 ) в разряде уже может быть достаточно для диссоциации поверхностных связей или травления мягких слоев в некоторых технологиях устройств. Кроме того, передача импульса частиц высокой энергии из плазмы (Ar, ионы кислорода) или распыленных из мишени может повлиять на температуру подложки или даже повысить ее настолько, чтобы вызвать физическую (например, травление) или термическую деградацию чувствительных слоев подложки ( например, тонкопленочные металлогалогенидные перовскиты).
Это может повлиять на функциональные свойства лежащих в основе слоев переноса заряда и пассивации, а также фотоактивных поглотителей или эмиттеров, ухудшая характеристики устройства. Например, из-за повреждения распылением могут возникнуть неизбежные межфазные последствия, такие как закрепление уровня Ферми, вызванное состояниями межфазной щели, связанными с повреждением, что приводит к образованию барьера Шоттки, препятствующего переносу носителей заряда. Повреждение распылением также может ухудшить эффективность легирования материалов и срок службы избыточных носителей заряда в фотоактивных материалах; в некоторых случаях, в зависимости от степени распространения, такое повреждение может даже привести к снижению сопротивления шунта. [23]
В полупроводниковой промышленности для травления мишени используется распыление. Травление распылением выбирают в тех случаях, когда необходима высокая степень анизотропии травления и селективность не имеет значения. Одним из основных недостатков этого метода является повреждение пластины и использование высокого напряжения.
Другое применение распыления — травление целевого материала. Один из таких примеров имеет место в масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС), где целевой образец распыляется с постоянной скоростью. По мере распыления мишени концентрация и идентичность распыленных атомов измеряются с помощью масс-спектрометрии . Таким образом можно определить состав целевого материала и обнаружить даже очень низкие концентрации (20 мкг/кг) примесей. Кроме того, поскольку распыление постоянно проникает в образец глубже, можно измерить профили концентрации в зависимости от глубины.
Распыление — одна из форм космического выветривания, процесса, изменяющего физические и химические свойства безвоздушных тел, таких как астероиды и Луна . На ледяных лунах, особенно на Европе , распыление фотолизованной воды с поверхности приводит к чистой потере водорода и накоплению богатых кислородом материалов, которые могут быть важны для жизни. Распыление также является одним из возможных способов того, что Марс потерял большую часть своей атмосферы и что Меркурий постоянно пополняет свою разреженную экзосферу , ограниченную поверхностью .
{{cite book}}: |author=имеет общее имя ( справка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )