stringtranslate.com

Распыление

Коммерческая система распыления AJA Orion в научно-технологическом центре Cornell NanoScale
Ионный двигатель, работающий на йоде (желтый) с использованием полого катода ксенона (синий). Высокоэнергетические ионы, испускаемые плазменными двигателями, распыляют материал из окружающей испытательной камеры, создавая проблемы для наземных испытаний высокомощных двигателей. [1]

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 космосе и может быть нежелательным источником износа в прецизионных компонентах. Однако тот факт, что его можно заставить воздействовать на чрезвычайно тонкие слои материала, используется в науке и промышленности — там его используют для выполнения точного травления , выполнения аналитических методов и нанесения тонких пленочных слоев при производстве оптических покрытий , полупроводниковых приборов и нанотехнологических продуктов. Это метод физического осаждения из паровой фазы . [3]

Физика

Когда энергичные ионы сталкиваются с атомами материала мишени, между ними происходит обмен импульсом . [2] [4] [5]

Распыление из линейного каскада столкновений. Толстая линия иллюстрирует положение поверхности, все, что находится ниже нее, является атомами внутри материала, а более тонкие линии — баллистические пути движения атомов от начала до остановки в материале. Фиолетовый круг — входящий ион. Красные, синие, зеленые и желтые круги иллюстрируют первичную, вторичную, третичную и четвертичную отдачу соответственно. Два атома случайно вылетают из образца, т. е. они распыляются.

Эти ионы, известные как «падающие ионы», запускают каскады столкновений в мишени. Такие каскады могут иметь много путей; некоторые отскакивают обратно к поверхности мишени. Если каскад столкновений достигает поверхности мишени, и его остаточная энергия больше, чем энергия связи поверхности мишени , атом будет выброшен. Этот процесс известен как «распыление». Если мишень тонкая (в атомном масштабе), каскад столкновений может достичь ее задней стороны; говорят, что атомы, выброшенные таким образом, выходят из энергии связи поверхности «при передаче».

Среднее число атомов, выбрасываемых из мишени на один падающий ион, называется «выходом распыления». Выход распыления зависит от нескольких факторов: угла, под которым ионы сталкиваются с поверхностью материала, количества энергии, с которой они ударяют по ней, их массы, массы атомов мишени и энергии связи поверхности мишени. Если мишень обладает кристаллической структурой, ориентация ее осей относительно поверхности является важным фактором.

Ионы, вызывающие распыление, поступают из разных источников — они могут поступать из плазмы , специально сконструированных источников ионов , ускорителей частиц , космического пространства (например, солнечного ветра ) или радиоактивных материалов (например, альфа-излучения ).

Моделью для описания распыления в каскадном режиме для аморфных плоских мишеней является аналитическая модель Томпсона. [6] Алгоритм, моделирующий распыление на основе квантово-механической обработки, включающей отрыв электронов при высокой энергии, реализован в программе TRIM . [7]

Другой механизм физического распыления называется «распылением теплового всплеска». Это может произойти, когда твердое тело достаточно плотное, а входящий ион достаточно тяжелый, так что столкновения происходят очень близко друг к другу. В этом случае приближение бинарных столкновений больше не действует, и столкновительный процесс следует понимать как многочастичный процесс. Плотные столкновения вызывают тепловой всплеск (также называемый тепловым всплеском), который по сути плавит небольшую часть кристалла. Если эта часть находится достаточно близко к его поверхности, большое количество атомов может быть выброшено из-за течения жидкости к поверхности и/или микровзрывов. [8] Распыление теплового всплеска 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 теплового пика часто нелинейно увеличивается с энергией и может для небольших кластерных ионов приводить к впечатляющим выходам распыления на кластер порядка 10 000. [9] Анимации такого процесса см. в разделе «Re: Каскад смещения 1» в разделе внешних ссылок.

Физическое распыление имеет четко определенный минимальный энергетический порог, равный или превышающий энергию иона, при которой максимальная передача энергии от иона к атому-мишени равна энергии связи поверхностного атома. То есть, это может произойти только тогда, когда ион способен передать больше энергии в мишень, чем требуется для того, чтобы атом освободился от ее поверхности.

Этот порог обычно находится в диапазоне от десяти до ста эВ .

Предпочтительное распыление может происходить в начале, когда бомбардируется многокомпонентная твердая мишень и нет твердотельной диффузии. Если передача энергии более эффективна к одному из целевых компонентов или он менее прочно связан с твердым телом, он будет распыляться более эффективно, чем другой. Если в сплаве AB компонент A распыляется предпочтительно, поверхность твердого тела при длительной бомбардировке обогатится компонентом B, тем самым увеличивая вероятность того, что B будет распылен таким образом, что состав распыленного материала в конечном итоге вернется к AB.

Электронное распыление

Термин «электронное распыление» может означать либо распыление, вызванное энергичными электронами (например, в просвечивающем электронном микроскопе), либо распыление из-за очень высокоэнергетических или сильно заряженных тяжелых ионов, которые теряют энергию в твердом теле, в основном за счет электронной тормозной способности , где электронные возбуждения вызывают распыление. [10] Электронное распыление обеспечивает высокий выход распыления из изоляторов , поскольку электронные возбуждения, вызывающие распыление, не гасятся немедленно, как это было бы в проводнике. Одним из примеров этого является покрытый льдом спутник Юпитера Европа , где ион серы с энергией МэВ из магнитосферы Юпитера может выбросить до 10 000 молекул H 2 O. [11]

Потенциальное распыление

Коммерческая система распыления

В случае множественных заряженных ионов-снарядов может иметь место особая форма электронного распыления, которая была названа потенциальным распылением . [12] [13] В этих случаях потенциальная энергия, запасенная в множественных заряженных ионах (т. е. энергия, необходимая для образования иона с таким зарядовым состоянием из его нейтрального атома), высвобождается, когда ионы рекомбинируют во время удара о твердую поверхность (образование полых атомов ). Этот процесс распыления характеризуется сильной зависимостью наблюдаемых выходов распыления от зарядового состояния падающего иона и может иметь место уже при энергиях удара иона значительно ниже порога физического распыления. Потенциальное распыление наблюдалось только для определенных видов мишеней [14] и требует минимальной потенциальной энергии. [15]

Травление и химическое напыление

Удаление атомов путем распыления инертным газом называется ионным травлением или ионным травлением .

Распыление также может играть роль в реактивно-ионном травлении (RIE), плазменном процессе, осуществляемом с химически активными ионами и радикалами, для которого выход распыления может быть значительно увеличен по сравнению с чисто физическим распылением. Реактивные ионы часто используются в оборудовании вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS) для повышения скорости распыления. Механизмы, вызывающие усиление распыления, не всегда хорошо поняты, хотя случай фтористого травления Si был хорошо смоделирован теоретически. [16]

Распыление, наблюдаемое ниже пороговой энергии физического распыления, также часто называют химическим распылением. [2] [5] Механизмы, лежащие в основе такого распыления, не всегда хорошо поняты и могут быть трудноотличимы от химического травления . При повышенных температурах химическое распыление углерода можно объяснить тем, что входящие ионы ослабляют связи в образце, которые затем десорбируются за счет термической активации. [17] Распыление материалов на основе углерода, вызванное водородом, наблюдаемое при низких температурах, было объяснено ионами H, входящим между связями CC и, таким образом, разрывающими их, механизм, названный быстрым химическим распылением . [18]

Приложения и явления

Распыление происходит только тогда, когда кинетическая энергия входящих частиц намного выше обычных тепловых энергий ( ≫ 1 эВ ). При использовании постоянного тока (DC-распыление) используются напряжения 3-5 кВ. При использовании переменного тока ( RF- распыление) частоты находятся в диапазоне около 14 МГц.

Очистка распылением

Поверхности твердых тел можно очистить от загрязнений с помощью физического распыления в вакууме . Очистка распылением часто используется в науке о поверхности , вакуумном осаждении и ионном покрытии . В 1955 году Фарнсворт, Шлиер, Джордж и Бургер сообщили об использовании очистки распылением в сверхвысоковакуумной системе для подготовки сверхчистых поверхностей для исследований дифракции низкоэнергетических электронов (LEED). [19] [20] [21] Очистка распылением стала неотъемлемой частью процесса ионного покрытия . Когда очищаемые поверхности большие, можно использовать похожую технику — плазменную очистку . Очистка распылением имеет некоторые потенциальные проблемы, такие как перегрев, проникновение газа в поверхностную область, повреждение бомбардировкой (излучением) в поверхностной области и шероховатость поверхности, особенно если ее переусердствовать. Важно иметь чистую плазму , чтобы не загрязнять поверхность постоянно во время очистки распылением. Повторное осаждение распыленного материала на подложку также может вызывать проблемы, особенно при высоких давлениях распыления. Распыление поверхности композитного или сплавного материала может привести к изменению состава поверхности. Часто вид с наименьшей массой или наибольшим давлением паров является тем, который предпочтительно распыляется с поверхности.

Нанесение пленки

Напыление — это метод нанесения тонких пленок распылением, 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 в себя повторную эмиссию осажденного материала, например, SiO2 , во время осаждения также путем ионной бомбардировки.

Распыленные атомы выбрасываются в газовую фазу, но не находятся в состоянии термодинамического равновесия и имеют тенденцию осаждаться на всех поверхностях в вакуумной камере. Подложка (например, пластина), помещенная в камеру, будет покрыта тонкой пленкой. Напыление обычно использует аргоновую плазму, поскольку аргон, благородный газ, не будет реагировать с материалом мишени.

Повреждение распылением

Повреждение распылением обычно определяется во время осаждения прозрачных электродов на оптоэлектронных устройствах, которое обычно возникает из-за бомбардировки подложки высокоэнергетическими видами. Основные виды, участвующие в процессе, и репрезентативные энергии можно перечислить следующим образом (значения взяты из [23] ):

Как видно из приведенного выше списка, отрицательные ионы (например, O − и In − для распыления ITO), образованные на поверхности мишени и ускоренные в направлении подложки, приобретают наибольшую энергию, которая определяется потенциалом между потенциалами мишени и плазмы. Хотя поток энергичных частиц является важным параметром, высокоэнергетические отрицательные ионы O − дополнительно являются наиболее распространенными видами в плазме в случае реактивного осаждения оксидов. Однако энергии других ионов/атомов (например, Ar + , Ar 0 или In 0 ) в разряде уже могут быть достаточными для диссоциации поверхностных связей или травления мягких слоев в определенных технологиях устройств. Кроме того, передача импульса высокоэнергетических частиц из плазмы (Ar, ионы кислорода) или распыленных из мишени может сталкиваться или даже повышать температуру подложки в достаточной степени, чтобы вызвать физическую (например, травление) или термическую деградацию чувствительных слоев подложки (например, тонкопленочные металлогалогенидные перовскиты).

Это может повлиять на функциональные свойства нижележащих слоев переноса заряда и пассивации, а также фотоактивных поглотителей или излучателей, что приведет к снижению производительности устройства. Например, из-за повреждения распылением могут возникнуть неизбежные последствия на интерфейсе, такие как закрепление уровня Ферми, вызванное состояниями щели интерфейса, связанными с повреждением, что приведет к образованию барьера Шоттки, препятствующего транспорту носителей. Повреждение распылением также может ухудшить эффективность легирования материалов и срок службы избыточных носителей заряда в фотоактивных материалах; в некоторых случаях, в зависимости от его степени, такое повреждение может даже привести к снижению сопротивления шунта. [23]

Офорт

В полупроводниковой промышленности распыление используется для травления мишени. Травление распылением выбирают в случаях, когда требуется высокая степень анизотропии травления , а селективность не имеет значения. Одним из основных недостатков этого метода является повреждение пластины и использование высокого напряжения.

Для анализа

Другое применение распыления — травление материала мишени. Один из таких примеров — вторичная ионная масс-спектрометрия (SIMS), где образец мишени распыляется с постоянной скоростью. По мере распыления мишени концентрация и идентичность распыленных атомов измеряются с помощью масс-спектрометрии . Таким образом можно определить состав материала мишени и обнаружить даже крайне низкие концентрации (20 мкг/кг) примесей. Кроме того, поскольку распыление непрерывно травит глубже в образец, можно измерить профили концентрации как функцию глубины.

В космосе

Распыление — одна из форм космического выветривания, процесс, который изменяет физические и химические свойства безвоздушных тел, таких как астероиды и Луна . На ледяных лунах, особенно на Европе , распыление фотолизированной 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, по которым Марс потерял большую часть своей атмосферы , а Меркурий постоянно пополняет свою разреженную поверхностную экзосферу .

Оптика

Благодаря своей адаптируемости к широкому спектру материалов, напыление используется для создания различных типов покрытий, которые улучшают характеристики оптических компонентов. [24] Антибликовые покрытия наносятся на линзы и оптические приборы для минимизации отражения света и увеличения светопропускания, что улучшает четкость и уменьшает блики. [25] Напыление также используется для нанесения отражающих покрытий на зеркала, обеспечивая высокую отражательную способность и долговечность для таких приложений, как телескопы , камеры и лазерные системы. [26]

Ссылки

  1. ^ Лоббиа, Р. Б.; Полк, Дж. Э.; Хофер, Р. Р.; Чаплин, В. Х.; Йорнс, Б. (19 августа 2019 г.). «Ускорение 23 000 часов наземных испытаний обратно распыленного углерода на магнитно-экранированном холловском двигателе». Форум AIAA Propulsion and Energy 2019. doi : 10.2514/6.2019-3898. ISBN 978-1-62410-590-6.
  2. ^ abc R. Behrisch, ed. (1981). Распыление при бомбардировке частицами . Springer, Berlin. ISBN 978-3-540-10521-3.
  3. ^ «Что такое DC Sputtering?». 26 ноября 2016 г.
  4. ^ P. Sigmund, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B (1987). "Механизмы и теория физического распыления при ударе частиц". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B . 27 (1): 1–20. Bibcode :1987NIMPB..27....1S. doi :10.1016/0168-583X(87)90004-8.
  5. ^ ab Behrisch, Rainer; Eckstein, Wolfgang, ред. (2007). Распыление частицами: эксперименты и компьютерные расчеты от пороговых значений до энергий МэВ . Springer, Берлин.
  6. ^ MW Thompson (1962). "Энергетический спектр выброшенных атомов при высокоэнергетическом распылении золота". Phil. Mag . 18 (152): 377. Bibcode : 1968PMag...18..377T. doi : 10.1080/14786436808227358.
  7. ^ JF Ziegler, J. P, Biersack, U. Littmark (1984). The Stopping and Range of Ions in Solids, т. 1 из серии Stopping and Ranges of Ions in Matter . Pergamon Press, Нью-Йорк. ISBN 978-0-08-021603-4.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Mai Ghaly & RS Averback (1994). «Влияние вязкого течения на повреждение ионов вблизи твердых поверхностей». Physical Review Letters . 72 (3): 364–367. Bibcode : 1994PhRvL..72..364G. doi : 10.1103/PhysRevLett.72.364. PMID  10056412.
  9. ^ S. Bouneau; A. Brunelle; S. Della-Negra; J. Depauw; D. Jacquet; YL Beyec; M. Pautrat; M. Fallavier; JC Poizat & HH Andersen (2002). "Очень большие выходы распыления золота и серебра, вызванные кластерами AuN с энергией от кэВ до МэВ (n=1–13)". Phys. Rev. B . 65 (14): 144106. Bibcode :2002PhRvB..65n4106B. doi :10.1103/PhysRevB.65.144106. S2CID  120941773.
  10. ^ T. Schenkel; Briere, M.; Schmidt-Böcking, H.; Bethge, K.; Schneider, D.; et al. (1997). "Электронное распыление тонких проводников путем нейтрализации медленных высокозаряженных ионов". Physical Review Letters . 78 (12): 2481. Bibcode : 1997PhRvL..78.2481S. doi : 10.1103/PhysRevLett.78.2481. S2CID  56361399.
  11. ^ Джонсон, RE; Карлсон, RW; Купер, JF; Параникас, C.; Мур, MH; Вонг, MC (2004). Фрэн Багенал; Тимоти Э. Доулинг; Уильям Б. МакКиннон (ред.). Радиационные эффекты на поверхности галилеевых спутников. В: Юпитер. Планета, спутники и магнитосфера . Том 1. Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. стр. 485–512. Bibcode :2004jpsm.book..485J. ISBN 0-521-81808-7.
  12. ^ T. Neidhart; Pichler, F.; Aumayr, F.; Winter, HP.; Schmid, M.; Varga, P.; et al. (1995). «Потенциальное распыление фторида лития медленными многозарядными ионами». Physical Review Letters . 74 (26): 5280–5283. Bibcode :1995PhRvL..74.5280N. doi :10.1103/PhysRevLett.74.5280. PMID  10058728. S2CID  33930734.
  13. ^ M. Sporn; Libiseller, G.; Neidhart, T.; Schmid, M.; Aumayr, F.; Winter, HP.; Varga, P.; Grether, M.; Niemann, D.; Stolterfoht, N.; et al. (1997). "Потенциальное распыление чистого SiO 2 медленными высокозаряженными ионами". Physical Review Letters . 79 (5): 945. Bibcode :1997PhRvL..79..945S. doi :10.1103/PhysRevLett.79.945. S2CID  59576101.
  14. ^ F. Aumayr & HP Winter (2004). «Потенциальное распыление». Philosophical Transactions of the Royal Society A. 362 ( 1814): 77–102. Bibcode : 2004RSPTA.362...77A. doi : 10.1098/rsta.2003.1300. PMID  15306277. S2CID  21891721.
  15. ^ G. Hayderer; Schmid, M.; Varga, P.; Winter, H; Aumayr, F.; Wirtz, L.; Lemell, C.; Burgdörfer, J.; Hägg, L.; Reinhold, C.; et al. (1999). "Порог потенциального распыления LiF" (PDF) . Physical Review Letters . 83 (19): 3948. Bibcode : 1999PhRvL..83.3948H. doi : 10.1103/PhysRevLett.83.3948.
  16. ^ TA Schoolcraft и BJ Garrison, Журнал Американского химического общества (1991). "Начальные стадии травления поверхности кремния Si110 2x1 нормальными падающими атомами фтора с энергией 3,0 эВ: исследование молекулярной динамики". Журнал Американского химического общества . 113 (22): 8221. doi :10.1021/ja00022a005.
  17. ^ J. Küppers (1995). «Химия водородной поверхности углерода как материала, обращенного к плазме». Surface Science Reports . 22 (7–8): 249–321. Bibcode : 1995SurSR..22..249K. doi : 10.1016/0167-5729(96)80002-1.
  18. ^ E. Salonen; Nordlund, K.; Keinonen, J.; Wu, C.; et al. (2001). "Быстрое химическое распыление аморфного гидрогенизированного углерода". Physical Review B. 63 ( 19): 195415. Bibcode :2001PhRvB..63s5415S. doi :10.1103/PhysRevB.63.195415. S2CID  67829382.
  19. ^ Farnsworth, HE; ​​Schlier, RE; George, TH; Burger, RM (1955). «Ионная бомбардировка — очистка германия и титана по данным низкоэнергетической электронной дифракции». Журнал прикладной физики . 26 (2). AIP Publishing: 252–253. Bibcode : 1955JAP....26..252F. doi : 10.1063/1.1721972. ISSN  0021-8979.
  20. ^ Farnsworth, HE; ​​Schlier, RE; George, TH; Burger, RM (1958). «Применение метода очистки ионной бомбардировкой к титану, германию, кремнию и никелю по данным низкоэнергетической электронной дифракции». Журнал прикладной физики . 29 (8). AIP Publishing: 1150–1161. Bibcode : 1958JAP....29.1150F. doi : 10.1063/1.1723393. ISSN  0021-8979.
  21. ^ GS Anderson и Roger M. Moseson, «Метод и устройство для очистки ионной бомбардировкой», патент США № 3,233,137 (подан 28 августа 1961 г.) (1 февраля 1966 г.)
  22. ^ "Распыляемые мишени | Тонкие пленки". Admat Inc. Получено 28.08.2018 .
  23. ^ аб Айдын, Эркан; Алтинкая, Цесур; Смирнов Юрий; Якин, Мухаммад А.; Занони, Кассио PS; Паливал, Абхьюдай; Фирдаус, Юлиар; Аллен, Томас Г.; Антопулос, Томас Д.; Болинк, Хенк Дж.; Моралес-Масис, Моника (3 ноября 2021 г.). «Напыленные прозрачные электроды для оптоэлектронных устройств: наведенные повреждения и стратегии их уменьшения». Иметь значение . 4 (11): 3549–3584. дои : 10.1016/j.matt.2021.09.021 . hdl : 10754/673293 . ISSN  2590-2393. S2CID  243469180.
  24. ^ Грин, Джулисса. «Изучение преимуществ и недостатков распыления». Stanford Advanced Materials . Получено 1 июля 2024 г.
  25. ^ Раут, Хемант; Ганеш, В. (2011). «Антибликовые покрытия: критический, углубленный обзор». Энергетика и наука об окружающей среде . 4 (10): 3779-3804. doi :10.1039/C1EE01297E.
  26. ^ Plats, Kelley (12 октября 2023 г.). «Сила антибликовых покрытий на подложках ig4 и ig6». NACL . Получено 1 июля 2024 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Распыление» .