Ionporlasztás

Az ionporlasztás az atomok kibocsátása a szilárd test felületéről, amikor azt nehéz töltésű vagy semleges részecskék bombázzák. Amikor egy negatív töltésű elektród ( katód ) pozitív ionokkal történő bombázásáról van szó , a "katódporlasztás" kifejezést is használják.

Felfedezési előzmények

Az ionporlasztást 1852-ben fedezte fel W. R. Grove , aki analógiát próbált megállapítani az elektrolízis és a gáz "villamosítása" között.

Kezdetben egyes kutatók ezt a jelenséget "elektromos elpárologtatásnak" nevezték, mivel a gázkisüléses csövekben a fémelektródák "elpárologtak" olyan hőmérsékleten, amely sokkal alacsonyabb volt, mint az ehhez elegendő. Ezt követően a fémek gázkisüléses csövekben történő megsemmisítésének és porlasztásának folyamata a „katódporlasztás” nevet kapta, mivel elsősorban a katódanyag ülepedt le a csövek falára [1] .

A porlasztás fizikai mechanizmusa

Egy bizonyos eV küszöbértéknél nagyobb mozgási energiájú nehéz részecskék (leggyakrabban ionok) a felülettel ütközve a céltárgy atomjainak és molekuláinak kibocsátását idézhetik elő. Több száz elektronvoltos energiánál a beeső ion egyidejűleg energiát ad át sok célatomnak, amelyek viszont az anyag többi atomjával ütköznek. Az ütközések sorozatának végén az atomok lokális egyensúlyi energiaeloszlása következik be, amelynek átlagos energiája egyenlő vagy nagyobb, mint egy atom munkafüggvénye a felszínről. Az ütközések kaszkádjában részt vevő atomok többsége megkötve marad a szilárd testben, de egy vagy több elhagyhatja a felszínt [2] . ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }=20...50$ ${\mathcal {E}}_{t}$

Egy atomnak a felszínről való kibocsátásához először is az szükséges, hogy energiája legalább , másodszor pedig a felületről kifelé irányuló sebességvektor legyen. Ahhoz, hogy ezek a feltételek teljesüljenek, a beeső részecskének legalább több célatomra (legalább háromra) át kell adnia lendületét. Ebben a tekintetben a porlasztáshoz beeső részecske minimális küszöbenergiája megközelítőleg egy nagyságrenddel meghaladja a munkafüggvényt. ${\mathcal {E}}_{t}$ ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$

Permetezési együttható

Egyes fémek és vegyületek porlasztási együtthatói Ar + ionokkal 600 eV energiájú besugárzáskor

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

A porlasztási együttható a beeső iononként kibocsátott atomok száma, és függ a beeső részecskék tömegétől, energiájától és beesési szögétől, valamint a célanyagtól. ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {sput} ))$

Függőség a beeső részecskék energiájától

A porlasztási együttható, amely nullával egyenlő, ha a beeső ion energiája kisebb, mint a küszöbérték, gyorsan növekszik akár több száz elektronvoltos energiákig, ahol a porlasztás jelentőssé válik. Abban az esetben, ha a célanyag és a beeső ion relatív atomtömege nagy és nem különbözik túlságosan , a porlasztási együttható jó közelítése a [2] kifejezés : ${\displaystyle Z_{t))$ $Z_{i}$ $(0{,}2\lesssim Z_{t}/Z_{i}\lesssim 5;Z_{t},Z_{i}>>1)$

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

, ahol .

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

Így a porlasztási együttható a beeső részecskék energiájától, tömegétől és a célanyagtól függ. Meg kell jegyezni, hogy a fenti képletek csak egyatomos ionokra és semleges atomokra érvényesek.

A beeső részecskék nagy energiáinál a fenti függőség megsérül, mivel növekszik az anyagba való behatolásuk mélysége. Az ütközési kaszkád mélyebben történik a felszínen belül, és a felszínhez közeli réteg atomjai kevesebb energiát kapnak, így kisebb a kibocsátásuk valószínűsége. Ennek eredményeként a porlasztási együttható függése a beeső részecske energiájától maximummal rendelkezik, ami után a porlasztási együttható az energia további növekedésével csökken [3] .

Függőség a részecskék beesési szögétől

A beesési szögnek a felülethez viszonyított normálhoz viszonyított növekedésével a beeső részecskék anyagba való behatolási mélysége csökken. Az ütközések kaszkádja a felszínhez közelebb történik, atomjai nagyobb részt kapnak az energiából. A kiszorított atomokra adott sebesség iránya kedvezőbb a porlasztáshoz. Túl nagy beesési szögek esetén azonban megnő annak a valószínűsége, hogy a beeső részecske visszaverődik az elektromos térről a felületen anélkül, hogy jelentős energiaátadás lenne a célatomokhoz. Így a permetezési együttható függése a beesési szögtől a [4] képlettel meghatározott maximummal rendelkezik : $\theta$

\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}\right)} }\jobbra]^{1/2}

, hol van a Rydberg állandó .

R_{y}

Amint a fenti összefüggésből látható, az ionok növekedésével az energia növekszik. ${\displaystyle \theta _{max))$

Porlasztott atomok energia- és szögeloszlása

A -nál a porlasztott atomok energia- és emissziós szögeloszlása a következő : ${\mathcal {E}}_{i}>>{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$ $\chi$

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

Az eloszlási maximumot ekkor érjük el . Az eV óta a porlasztott atomok karakterisztikus energiája körülbelül 1,5...3 eV, ami 15000-30000 K hőmérsékletnek felel meg, ami jóval magasabb bármely elérhető egyensúlyi hőmérsékletnél [5] . ${\mathcal {E}}={\mathcal {E}}_{t}/2$ ${\mathcal {E}}_{t}\sim 3...6$

Negatív megnyilvánulások

Az ionporlasztás a gázzal töltött elektromos vákuumkészülékek (különösen a gázkisüléses lámpák ), a plazmadiagnosztikához használt szondák , a plazmaforrások elektródáinak eróziójához vezet . Az elektródák pusztulási sebességének csökkentésére az ionok energiájának csökkentésére törekednek, alacsony porlasztási együtthatójú anyagokat ( grafit , titán ) használnak.

Alkalmazás

Az ionporlasztást főként a mikroelektronikai gyártásban használják vékonyréteg - leválasztásra és domborműmaratásra .

Ezt az eljárást alkalmazzák az alumínium ívhegesztésben is, hogy elpusztítsák a felületén lévő oxidfilmet.

Lásd még

Jegyzetek

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

Irodalom

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

Danilin B.S. Alacsony hőmérsékletű plazma alkalmazása vékonyrétegek leválasztására. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.

Forrester, T. A. Intenzív ionsugarak. — M .: Mir, 1992. — 354 p. — ISBN 5-03-001999-0 .

Danilin BS, Kireev V. Yu. Alacsony hőmérsékletű plazma alkalmazása anyagok maratására és tisztítására. - M. : Energoatomizdat, 1987. - 263 p.

Lieberman MA , Lichtenberg AJ A plazmakibocsátások és az anyagfeldolgozás elvei. - John Wiley & Sons, 2005. - ISBN 0-471-72001-1 .

Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Anyagok ion-plazma feldolgozása. - M . : Rádió és kommunikáció, 1986. - 232 p.

Popov VF, Gorin Yu. N. Az elektron-ion technológia folyamatai és telepítései. - M . : Feljebb. iskola, 1988. - 255 p. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Vákuumos eljárások és berendezések ion- és elektronsugaras technológiához. - M . : Mashinostroenie, 1989. - 56 p. - ISBN 5-217-00726-5 .