Ioniruiskutus

Ionisputterointi on atomien vapautumista kiinteän aineen pinnalta, kun sitä pommitetaan raskaasti varautuneilla tai neutraaleilla hiukkasilla. Kun kyse on negatiivisesti varautuneen elektrodin ( katodin ) pommittamisesta positiivisilla ioneilla , käytetään myös termiä "katodisputterointi".

Löytöhistoria

Ionisputteroinnin löysi vuonna 1852 W. R. Grove , joka yritti luoda analogiaa elektrolyysin ja kaasun "sähköistämisen" välillä.

Aluksi jotkut tutkijat kutsuivat tätä ilmiötä "sähköhaihdutukseksi", koska kaasupurkausputkissa metallielektrodit "haihtuivat" lämpötiloissa, jotka olivat paljon alhaisempia kuin riittävät tähän. Myöhemmin metallien tuhoamis- ja sputterointiprosessi kaasupurkausputkissa sai nimen "katodisputterointi", koska pääasiassa katodimateriaali asettui putkien seinille [1] .

Sputteroinnin fyysinen mekanismi

Sisään tulevat raskaat hiukkaset (useimmiten ionit), joiden kineettinen energia on suurempi kuin tietty kynnysarvo eV, törmäävät pintaan, voivat aiheuttaa kohteen atomien ja molekyylien emission. Useiden satojen elektronivoltien energioissa tuleva ioni siirtää energiaa samanaikaisesti useille kohdeatomeille, jotka puolestaan törmäävät aineen muihin atomiin. Törmäyssarjan lopussa tapahtuu atomien paikallinen tasapainoenergiajakauma, jonka keskimääräinen energia on yhtä suuri tai suurempi kuin atomin työfunktio pinnasta. Suurin osa törmäyskaskadiin osallistuneista atomeista pysyy sitoutuneina kiinteään aineeseen, mutta yksi tai useampi voi poistua pinnasta [2] . ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }=20...50$ ${\mathcal {E}}_{t}$

Atomin emissiolle pinnalta on ensinnäkin välttämätöntä, että sen energia on vähintään , ja toiseksi pinnasta ulospäin suunnattu nopeusvektori. Jotta nämä ehdot täyttyisivät, tulevan hiukkasen on siirrettävä vauhtinsa vähintään usealle kohdeatomille (vähintään kolmelle). Tässä suhteessa putoavan hiukkasen minimikynnysenergia sputteroinnissa ylittää työfunktion noin suuruusluokkaa. ${\mathcal {E}}_{t}$ ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$

Ruiskutuskerroin

Joidenkin metallien ja yhdisteiden sputterointikertoimet säteilytettäessä Ar + -ioneilla , joiden energia on 600 eV

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

Sputterointikerroin määritellään emittoituneiden atomien lukumääränä tulevaa ionia kohti ja se riippuu sattuvien hiukkasten massasta, niiden energiasta ja tulokulmasta sekä kohdemateriaalista. ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {sput} ))$

Riippuvuus kohtaavien hiukkasten energiasta

Sputterointikerroin, joka on nolla, kun tulevan ionin energia on pienempi kuin kynnysarvo, kasvaa nopeasti useiden satojen elektronivolttien energioihin, jolloin sputteroinnista tulee merkittävää. Siinä tapauksessa , että kohdemateriaalin ja tulevan ionin suhteelliset atomimassat ovat suuria eivätkä liian erilaisia , hyvä sputterointikertoimen approksimaatio on lauseke [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} }}}\oikea)

, missä .

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

Näin ollen sputterointikerroin riippuu osuvien hiukkasten energiasta, niiden massasta ja kohdemateriaalista. On huomattava, että yllä olevat kaavat pätevät vain monoatomisille ioneille ja neutraaleille atomeille.

Kohtavien hiukkasten suurilla energioilla edellä mainittu riippuvuus rikotaan, koska niiden materiaaliin tunkeutumissyvyys kasvaa. Törmäyskaskadi tapahtuu syvemmällä pinnan sisällä, ja pintakerroksen lähellä olevat atomit saavat vähemmän energiaa, mikä tekee niistä vähemmän todennäköisiä. Tämän seurauksena sputterointikertoimen riippuvuus tulevan hiukkasen energiasta on maksimi, jonka jälkeen sputterointikerroin pienenee energian lisäyksen myötä [3] .

Riippuvuus hiukkasten tulokulmasta

Kun tulokulma kasvaa suhteessa normaaliin pintaan, putoavien hiukkasten materiaaliin tunkeutumissyvyys pienenee. Törmäyskaskadi tapahtuu lähempänä pintaa, sen atomit saavat suuremman osan energiasta. Syrjäytyneille atomeille tulevan nopeuden suunta on sputteroinnille edullisempi. Liian suurilla tulokulmilla todennäköisyys heijastua tulevan hiukkasen sähkökentästä pinnalle kuitenkin kasvaa ilman merkittävää energian siirtymistä kohdeatomeihin. Siten suihkutuskertoimen riippuvuudella tulokulmasta on kaavalla [4] määritetty maksimi : $\theta$

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

, missä on Rydbergin vakio .

R_{y}

Kuten yllä olevasta suhteesta voidaan nähdä, ionienergia kasvaa kasvaessa. ${\displaystyle \theta _{max))$

Sputteroitujen atomien energia- ja kulmajakauma

Sputteroiduilla atomeilla on seuraavat energia- ja emissiokulmajakaumat : ${\mathcal {E}}_{i}>>{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$ $\chi$

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

Jakelun maksimi saavutetaan . eV:stä lähtien sputteroitujen atomien ominaisenergia on noin 1,5...3 eV, mikä vastaa lämpötilaa 15000-30000 K, mikä on paljon korkeampi kuin mikään saavutettavissa oleva tasapainolämpötila [5] . ${\mathcal {E}}={\mathcal {E}}_{t}/2$ ${\mathcal {E}}_{t}\sim 3...6$

Negatiiviset ilmentymät

Ionisputterointi johtaa kaasutäytteisten sähköisten tyhjiölaitteiden (erityisesti kaasupurkauslamppujen ), plasmadiagnostiikassa käytettävien koettimien , plasmalähteiden elektrodien elektrodien eroosioon . Elektrodien tuhoutumisnopeuden vähentämiseksi ne pyrkivät vähentämään ionien energiaa; käytetään materiaaleja, joilla on pieni sputterointikerroin ( grafiitti , titaani ).

Sovellus

Ionisputterointia käytetään pääasiassa mikroelektroniikan tuotannossa ohutkalvopinnoitukseen ja kohokuvioetsaukseen .

Tätä prosessia käytetään myös alumiinikaarihitsauksessa sen pinnalla olevan oksidikalvon tuhoamiseksi.

Katso myös

Muistiinpanot

↑ 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.

Kirjallisuus

Pleshivtsev NV katodi sputterointi. - M .: Atomizdat , 1968.

Danilin B.S. Matalalämpötilaisen plasman käyttö ohuiden kalvojen kerrostamiseen. - M .: Energoatomizdat, 1989. - 328 s.

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

Danilin BS, Kireev V. Yu. Matalan lämpötilan plasman käyttö materiaalien syövytykseen ja puhdistukseen. - M .: Energoatomizdat, 1987. - 263 s.

Lieberman MA , Lichtenberg AJ Plasmapurkausten ja materiaalien käsittelyn periaatteet. - John Wiley & Sons, 2005. - ISBN 0-471-72001-1 .

Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Materiaalien ioniplasmakäsittely. - M . : Radio ja viestintä, 1986. - 232 s.

Popov VF, Gorin Yu. N. Elektroni-ionitekniikan prosessit ja asennukset. - M . : Korkeampi. koulu, 1988. - 255 s. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Tyhjiöprosessit ja laitteet ioni- ja elektronisuihkuteknologiaan. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 s. - ISBN 5-217-00726-5 .