Войти
Коммерческая система распыления AJA Orion в Научно-технологическом центре Cornell NanoScale В физике распыление представляет собой явление, при котором микроскопические частицы твердого материала выбрасываются с его поверхности после того, как материал сам подвергается бомбардировке энергичными частицами плазмы или газ. Это происходит естественным образом в космическом пространстве и может быть нежелательным источником износа прецизионных компонентов. Однако тот факт, что его можно заставить воздействовать на очень тонкие слои материала, используется в науке и промышленности - там он используется для точного травления, выполнения аналитических методов и нанесения тонкопленочные слои при производстве оптических покрытий, полупроводниковых устройств и продуктов нанотехнологий. Это метод физического осаждения из паровой фазы.
Когда энергичные ионы сталкиваются с атомами материала мишени, происходит обмен импульс имеет место между ними.
Распыление от линейного каскада столкновений. Толстая линия показывает положение поверхности, где все, что находится под ней, является атомами внутри материала, а более тонкие линии - пути баллистического движения атомов от начала до остановки в материале. Фиолетовый кружок - входящий ион. Красные, синие, зеленые и желтые кружки показывают соответственно первичную, вторичную, третичную и четвертичную отдачу. Два атома выходят из образца, т.е. они распыляются. Эти ионы, известные как «падающие ионы», вызывают каскады столкновений в мишени. Такие каскады могут идти разными путями; некоторая отдача назад к поверхности цели. Если каскад столкновений достигает поверхности мишени, а его оставшаяся энергия больше, чем ее поверхность энергия связи, атом будет выброшен. Этот процесс известен как «распыление». Если цель тонкая (в атомном масштабе), каскад столкновений может достигнуть ее тыльной стороны; считается, что атомы, выброшенные таким образом, «при пропускании» ускользают от поверхностной энергии связи.
Среднее количество атомов, выброшенных из мишени на один падающий ион, называется «выходом распыления». Мощность распыления зависит от нескольких факторов: от угла, под которым ионы сталкиваются с поверхностью материала, от того, с какой энергией они сталкиваются, их масс, масс атомов мишени и энергии связи с поверхностью мишени. Если мишень имеет структуру кристалл, ориентация ее осей по отношению к поверхности является важным фактором.
Ионы, вызывающие распыление, поступают из различных источников - они могут поступать из плазмы, специально сконструированных источников ионов, ускорителей частиц, космическое пространство (например, солнечный ветер ) или радиоактивные материалы (например, альфа-излучение ).
Модель для описания распыления в каскадном режиме аморфных плоских мишеней - это аналитическая модель Томпсона. Алгоритм, имитирующий распыление на основе квантово-механической обработки, включающей отрыв электронов при высокой энергии, реализован в программе TRIM.
Другой механизм физического распыления называется «распыление с тепловым выбросом». Это может произойти, когда твердое тело достаточно плотное, а входящий ион достаточно тяжелый, чтобы столкновения происходили очень близко друг к другу. В этом случае приближение бинарных столкновений больше не действует, и процесс столкновений следует понимать как процесс многих тел. Плотные столкновения вызывают всплеск тепла (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 протекания жидкости к поверхности и / или микровзрывов. Распыление тепловыми импульсами наиболее важно для тяжелых ионов (например, Xe, Au или кластерных ионов) с энергией в диапазоне кэВ – МэВ, бомбардирующих плотные, но мягкие металлы с низкой температурой плавления (Ag, Au, Pb и т. Д.). Распыление тепловых пиков часто нелинейно увеличивается с увеличением энергии, и для небольших кластерных ионов может привести к значительным выходам распыления на кластер порядка 10 000. Для анимации такого процесса см. "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 целевому атому равна энергии связи поверхностного атома. Другими словами, это может произойти только тогда, когда ион способен передать больше энергии в мишень, чем требуется для того, чтобы атом оторвался от своей поверхности.
Этот порог обычно находится в диапазоне от десяти до ста. eV.
Предпочтительное распыление может происходить в начале, когда многокомпонентная твердая мишень подвергается бомбардировке и диффузия твердого тела отсутствует. Если передача энергии более эффективна одному из целевых компонентов или если он менее прочно связан с твердым телом, он будет распыляться более эффективно, чем другой. Если в сплаве AB компонент A распыляется преимущественно, поверхность твердого тела во время продолжительной бомбардировки будет обогащаться компонентом B, тем самым увеличивая вероятность того, что B распыляется так, что состав распыленного материала в конечном итоге вернется к AB.
Термин электронное распыление может означать либо распыление, вызванное энергичными электронами (например, в просвечивающем электронном микроскопе), либо распыление из-за очень высоких энергий или сильно заряженных тяжелых ионов, которые теряют энергию в твердом теле, в основном из-за электронной тормозной способности, когда электронные возбуждения вызывают распыление. 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 МэВ из магнитосферы Юпитера может выбросить до 10 000 молекул H 2 O.
Коммерческая система распыления В случае многозарядных снарядов может иметь место особая форма электронного распыления, которая получила название потенциального распыления. В этих случаях потенциальная энергия, запасенная в многозарядных ионах (т. Е. Энергия, необходимая для образования иона этого зарядового состояния 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 налетающего иона и может происходить уже при энергии удара иона, значительно ниже физического порога распыления. Потенциальное распыление наблюдается только для определенных видов мишеней и требует минимальной потенциальной энергии.
Удаление атомов с помощью распыления инертным газом называется ионным измельчением или ионное травление.
Распыление также может играть роль в реактивном ионном травлении (RIE), плазменном процессе, проводимом с химически активными ионами и радикалами, для которого эффективность распыления может быть значительно увеличена по сравнению с чистое физическое распыление. Реактивные ионы часто используются в оборудовании вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS) для увеличения скорости распыления. Механизмы, вызывающие усиление распыления, не всегда хорошо понятны, хотя случай травления кремния фтором был хорошо смоделирован теоретически.
Распыление, наблюдаемое ниже пороговой энергии физического распыления, также часто называют химическим распылением. Механизмы такого распыления не всегда хорошо изучены, и их трудно отличить от химического травления. Можно понять, что при повышенных температурах химическое распыление углерода происходит из-за поступающих ионов, ослабляющих связи в образце, которые затем десорбируются при термической активации. Вызванное водородом распыление углеродных материалов, наблюдаемое при низких температурах, было объяснено тем, что ионы H попадают между CC-связями и, таким образом, разрушают их - механизм, получивший название быстрого химического распыления.
Распыление происходит только тогда, когда кинетическая энергия падающих частиц намного выше обычной тепловой энергии (≫ 1 eV ). При использовании постоянного тока (напыление постоянным током) используются напряжения 3-5 кВ. Когда выполняется распыление переменным током (RF ), частоты находятся в диапазоне 14 МГц.
Поверхности твердых частиц можно очистить от загрязнений с помощью физического распыления в вакууме. Очистка распылением часто используется в науке о поверхности, вакуумном осаждении и ионном осаждении. В 1955 году Фарнсворт, Шлиер, Джордж и Бургер сообщили об использовании очистки распылением в системе сверхвысокого вакуума для подготовки сверхчистых поверхностей для исследований дифракции низкоэнергетических электронов (ДМЭ). Очистка распылением стала неотъемлемой частью процесса ионного осаждения. Когда очищаемые поверхности велики, можно использовать аналогичный метод плазменной очистки. Очистка распылением имеет некоторые потенциальные проблемы, такие как перегрев, включение газа в область поверхности, повреждение в результате бомбардировки (радиационное излучение) в области поверхности и придание поверхности шероховатости, особенно если это сделать слишком долго. Важно иметь чистую плазму, чтобы постоянно не загрязнять поверхность во время очистки распылением. Повторное осаждение распыленного материала на подложку также может вызвать проблемы, особенно при высоких давлениях распыления. Распыление поверхности компаунда или сплава может привести к изменению состава поверхности. Часто частицы с наименьшей массой или наивысшим давлением пара представляют собой частицы, предпочтительно распыляемые с поверхности.
Осаждение распылением - это метод осаждения тонких пленок распылением, которое включает эрозию материала из "целевого" источника на " субстрат "например кремниевая пластина, солнечный элемент, оптический компонент или многие другие возможности. Повторное нанесение, напротив, включает повторное излучение осажденного материала, например SiO 2 во время осаждения также ионной бомбардировкой.
Распыленные атомы выбрасываются в газовую фазу, но не находятся в своем состоянии термодинамического равновесия и имеют тенденцию осаждаться на всех поверхностях в вакуумной камере. Подложка (например, пластина), помещенная в камеру, будет покрыта тонкой пленкой. Для напыления обычно используется плазма аргона, поскольку благородный газ аргон не вступает в реакцию с материалом мишени.
В полупроводниковой промышленности для травления мишени используется распыление. Травление распылением выбирают в тех случаях, когда необходима высокая степень травления анизотропия и селективность не является проблемой. Одним из основных недостатков этого метода является повреждение пластины и использование высокого напряжения.
Другое применение распыления - это травление целевого материала. Один из таких примеров встречается в масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS), где целевой образец распыляется с постоянной скоростью. Когда мишень распыляется, концентрация и идентичность распыленных атомов измеряются с помощью масс-спектрометрии. Таким образом может быть определен состав целевого материала и обнаружены даже очень низкие концентрации (20 мкг / кг) примесей. Кроме того, поскольку распыление все глубже проникает в образец, можно измерить профили концентрации как функцию глубины.
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 того, что Марс потерял большую часть своей атмосферы и что Меркурий постоянно пополняет свою тонкую, ограниченную поверхностью экзосферу.
.
 | На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Распыление. |
