научная статья по теме БАЛАНС ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ Физика

Текст научной статьи на тему «БАЛАНС ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 5, с. 13-16

УДК 537.534

БАЛАНС ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ

© 2004 г. А. С. Мосунов

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН, Пущино, Россия Поступила в редакцию 10.10.2003 г.

В работе представлены результаты численного моделирования распыления моно- и поликристаллов Ni, Ag и Fe ионами Ne, Ar, Xe с энергией от 0.2 до 20 кэВ. Показано, что период распределения числа атомов по слоям кристалла после распыления не зависит ни от типа атомов решетки, ни от вида падающих ионов и их энергии. Получены и проанализированы энергетические послойные балансы в кристалле после распыления.

ВВЕДЕНИЕ

Исследованию энергетических балансов в мишени в процессе распыления посвящено несколько работ [1, 2]. По большей части в них рассмотрено общее количество энергии в мишени после распыления. Что касается баланса частиц, то этот вопрос не исследовался; лишь в [2] для монокристалла приведены данные для одной энергии и одного вида падающих ионов. Нужно заметить, что послойный баланс частиц в настоящее время не может быть снят в натурном эксперименте, а только в вычислительном. Однако знание балансов частиц и энергии важно как с точки зрения чисто практической, так и для понимания происходящих при распылении процессов.

В данной работе рассмотрено распыление моно-и поликристаллов Л§, Бе и N1 различными ионами (Ке, Лг, Хе). Энергия падающих ионов 0.2-20 кэВ. Падение нормальное. Кристаллы выбраны из двух соображений: а) наличия экспериментальных данных по распылению; б) значительного различия в атомной массе при одинаковой кристаллической структуре(N1 и Л§)и, наоборот, близости атомных масс при разной кристаллической структуре (N1 и Бе).

Нужно отметить, что все программы, используемые для исследования распыления, заканчивают расчет только динамической стадии процесса, т.е. тогда, когда энергии взаимодействующих частиц опускаются ниже некоторой пороговой величины (обычно это электронвольты). На самом деле после этого в мишени происходят значительные изменения, но они обусловлены уже процессами, происходящими на тепловых временах (диффузия, теплопроводность и т.п.), которые в данной работе не рассматриваются.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

Для расчета распыления использовалась модель подвижного блока атомов в полубесконеч-

ной мишени. В каждый момент времени рассчитывалась траектория только одной активной частицы, т.е. такой частицы, энергия которой больше энергии обрезания потенциала взаимодействия (от 2.5 до 3.5 эВ в данной работе). В кристалле находился атом мишени, ближайший к активной частице (далее будем называть ее ионом). В начале расчета активной частицей являлся налетающий ион. Этот ближайший атом окружался блоком атомов из шести координационных сфер (79 атомов для ГЦК-решетки) идеального монокристалла. В получившейся структуре налетающая частица (ион) и все атомы мишени были подвижными и взаимодействовали между собой. При смене ближайшего к иону атома мишени происходила перестройка блока. Если в процессе взаимодействия атомы мишени получали энергию выше пороговой (немного ниже энергии связи в данной работе), их положение и импульсы запоминались и в дальнейшем их история просчитывалась. Таким образом, в полубесконечном кристалле, ограниченном бомбардируемой плоскостью, двигалось "окно", в котором все атомы взаимодействовали со всеми. Движение каждого активного атома прослеживалась до тех пор, пока его энергия не падала ниже пороговой.

Для описания межатомного взаимодействия в данной работе применялся потенциал, состоящий из потенциала Борна-Майера и функции, аппроксимирующей потенциал Бора [3]:

и(Г) = АЪт[^еехр(-г1аЬт) + Аехр(-2г/а^, (1)

где АЪт = 52 (2122)3/4; Ъъ Ъ2 - атомные номера взаимодействующих частиц; аЪт = 0.219 А - постоянные в потенциале Борна-Майера, взятые из [4]; АЪ = (2122)/4. При таком выборе параметров потенциала можно проводить расчеты распыления как при низких, так и при средних энергиях падающих ионов. Зависимость коэффициента распыления от энергии падающих ионов получается

Е, эВ/ион 200 г

150 100 50 0

-50 -100

(а)

% *

-150 200

А Д мд д л

2аа

°°Ооос

20

40

Номер слоя

Е, эВ/ион 200 г

150 100 50 0

-50 -100

(б)

-150 -200

А ЖЛ А 1

А ё. А

Л

Шо оо ао а а

А А,

А аааа А а

№ Оп Л '

г

10 20

30 40 50 Номер слоя

Рис. 1. Распределения энергии, привнесенной бомбардирующими частицами, по глубине мишени для N1 (а) и Бе (б) для различных энергий падающих ионов Лг+ Е, кэВ: ■ 0.2, □ 0.5, • 1.0, О 2.0, ▲ 5.0, А 20.

близкой к экспериментальной во всем диапазоне рассмотренных в работе энергий (0.2-20 кэВ) [5, 6], что указывает на приемлемость выбранного потенциала взаимодействия.

Поликристалл строился поворотом монокристалла на три псевдослучайных угла Эйлера так, что каждый новый ион падал на новую ориентацию кристалла.

Результатами расчета являлись: импульс распыленного атома; послойный (с шагом в половину постоянной решетки) баланс энергии и частиц, возникший после распыления; длина траектории каскада, приведшего к распылению; время процесса распыления; номер поколения распыленного атома; место, откуда распылился атом мишени, и глубина разворота импульса каскада, приведшего к распылению.

В качестве мишени использовались моно- и поликристаллы Ag, Бе и N1, бомбардируемые нормально падающими ионами. Неупругие потери и зарядовое состояние взаимодействующих частиц не учитывались. Тепловые колебания считались некоррелированными.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Энергетический баланс. В процессе расчета рассматривался послойный энергетический баланс, который является довольно важной характеристикой процесса в ряде прикладных областей, особенно в микроэлектронике. Перед началом расчета каждому слою толщиной в половину постоянной решетки приписывалась нулевая энергия. В процессе расчета каждая частица, входящая в данный слой, добавлялась к числу частиц,

уже имеющихся в этом слое, а ее энергия - к их энергии. Для уходящих из данного слоя частиц соответствующие величины вычитались. Таким образом, после окончания расчетов мы имели послойный баланс частиц и энергии, формируемый в процессе распыления кристалла.

Понятно, что с увеличением энергии ионного пучка возрастает и удельная (на один падающий ион) энергия материала мишени после распыления. Однако для разных энергий распределение энергии в мишени качественно отличается (рис. 1). Если при низкой энергии (до 5 кэВ) падающих ионов вложенная энергия является хорошо локализованной, то при увеличении энергии ионов до 20 кэВ мы видим почти равномерное распределение энергии на протяжении десятков слоев атомов мишени. Причем для решеток с разными структурами качественная картина близка, что видно из сравнения рис. 1а и рис. 16 для N1 и Бе соответственно. Отметим также, что максимум вложенной энергии сдвигается в глубь мишени с ростом энергии падающих ионов.

Таким образом, можно сделать вывод о качественном изменении распределения энергии в материале мишени при увеличении энергии падающих ионов.

Баланс частиц. На рис. 2 приведены балансы частиц для некоторых энергий и масс падающих ионов и вида атомов мишени. При самых малых энергиях (200 эВ) падающих ионов частицы останавливаются и накапливаются в районе 4-6-слоев атомов мишени, где и наблюдается пик в соответствующем распределении, причем он расположен там же, где и пик в энергетическом балансе. При возрастании энергии ионов этот пик сначала ста-

БАЛАНС ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ

15

N ат./ион Ы, ат./ион

Рис. 2. Распределения частиц по глубине мишени после распыления: поли- (Аг+ - А) и монокристалла (Аг+ - О, Хе+ - N1, ионами с энергией 20 кэВ (а); поликристалла N1 ионами Аг+ с энергией 5, 10 и 20 кэВ (б); поликристаллов N1, Бе и Ag ионами Аг+ с энергией 20 кэВ (в); поликристалла N1 ионами №+, Аг+, Хе+ с энергией 20 кэВ (г).

новится шире, а затем появляются новые пики. При последующем возрастании энергии ионов до 5 кэВ и более балансовые распределения разбиваются на две области. Одна из них, примерно от первого до пятнадцатого слоя (далее область I), обедняется частицами в процессе распыления и имеет структуру, зависящую от энергии ионов. Вторая область (далее область II), расположенная сразу за первой, т.е. глубже пятнадцатого слоя, имеет характерную структуру с явно выраженными пиками, расположение которых по глубине не зависит от энергии падающих ионов.

Существование двух таких областей можно объяснить образованием ударной волны при падении иона на мишень. В области фронта этой волны происходит обмен энергией и веществом, причем результат такого обмена зависит от энергии и соотношения масс иона и атома мишени. Сама волна при этом теряет энергию и на некото-

рой глубине является источником рождения волн, распространяющихся со скоростью звука в среде и с амплитудой, зависящей от расстояния до места рождения (рис. 2).

Размер области I по глубине образца слабо зависит от того, в каком состоянии, моно- или поликристаллическом, находится кристалл (рис. 2а). Это становится понятным, если учесть, что этот размер определяется энергией падающих ионов и приведенной (в атомах на ячейку) плотностью кристалла. Интересно, что и область II (ниже 15 слоя) дает одинаковую качественную картину распределения плотности числа частиц как в моно-, так и в поликристалле (рис. 2а).

Анализ данных, приведенных на рис. 2, позволяет сделать вывод о независимости периода ос-цилляций плотности числа частиц после распыления от энергии падающего иона (рис. 26), массы атомов мишени (рис. 2в) и иона (рис. 2г). Этот пе-

риод не зависит ни от кристаллического состояния, ни от типа структуры (ГЦК- и ОЦК-решет-ки) мишени.

ВЫВОДЫ

Привнесенная ионным пучком энергия атомов мишени после распыления хорошо локализована пространственно для низких (1 кэВ и менее) энергий падающих ионов, т.е. в соответствующем распределении энергии по слоям атомов мишени имеется один явно выраженный пик. С увеличением энергии падающих ионов область энергии, добавленной атомам мишени, уширяется. При 20 кэВ имеется почти равномерное распределение энергии на десятки

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком