ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 76-78
УДК 537.534.8
ЭМИССИЯ И ФРАГМЕНТАЦИЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ, РАСПЫЛЕННЫХ С ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ ИОНАМИ 8Е+
© 2004 г. Н. X. Джемилев, С. Е. Максимов, С. Ф. Коваленко, В. И. Тугушев
Институт электроники им. У.А. Арифова АН РУз, Ташкент, Узбекистан Поступила в редакцию 09.09.2003 г.
Приведены результаты сравнительных исследований процессов эмиссии и фрагментации кластерных ионов при бомбардировке поверхности А§, N5 и Та пучками атомарных (Аг+, Хе+) и молекулярных
(Б ) ионов. Сделан вывод, что известный эффект усиления выхода кластерных ионов при бомбардировке металлов молекулярными пучками Б связан в значительной мере с увеличением вероятности ионизации распыленных частиц.
ВВЕДЕНИЕ
При бомбардировке поверхности твердых тел ионами с энергией порядка единиц и десятков кэВ поток распыления содержит, наряду с атомами, также молекулярные и кластерные частицы. Считается, что выход распыленных частиц может быть значительно увеличен при бомбардировке полиатомными ионами. Примером здесь может служить увеличение выхода кластерных ионов при распылении углерода [1] и кремния [2] пучками
Б по сравнению с ионами инертных газов. В то же время остается неясным, связано ли это увеличение с присутствием в составе первичного пучка химически активного фтора или с влиянием на эмиссию числа частиц в первичном ионе.
В работе представлены сравнительные исследования эмиссии и фрагментации положительно заряженных кластеров при распылении поверхности А§, N5 и Та ионами Б и Хе+, имеющими приблизительно одинаковые массы. Выбор объектов исследования обусловлен тем, что вероятности ионизации кластеров N5, Та и А§ значительно отличаются [3].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРИБОР И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Эксперименты были выполнены на вторично-ионном масс-спектрометре с двойной фокусировкой обратной геометрии [4]. Первичные ионы генерировались в разработанном нами ионном источнике с электронным ударом с аксиально-симметричным магнитным полем. Ионные токи составляли
~1.2 мкА для Б и Аг+ и ~0.7 мкА для Хе+ при плотности тока 3-5 х 10-3 А ■ см-2. Энергия пер-
вичных ионов составляла 10 кэВ, угол бомбардировки 45°. Все измерения производились при давлении в камере бомбардировки по рабочему газу 6.5 х 10-6 Па при комнатной температуре поверхности через 15-20 мин после начала распыления
ионами Б , что соответствовало установлению стационарных условий эмиссии всех видов вторичных ионов. Исследование процессов фрагментации распыленных кластеров было выполнено по стандартной методике [4] в бесполевых зонах прибора во временном диапазоне 10-6-10-5 с с момента их эмиссии.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 1а-в представлены распределения масс кластеров Ag+, и Та+, распыленных пучками Б , Хе+ и Аг+, нормированные на величину тока
первичных ионов. В распределениях Ag+ для всех первичных ионов (рис. 1а) наблюдаются известные четно-нечетные осцилляции интенсивностей пиков. При общей сходности масс-спектров для различных первичных ионов наблюдаются значительные различия в интенсивностях кластеров Ag+: при
бомбардировке Б выходы А§+- Ag+3 в несколько десятков раз выше, чем под действием Хе+, и примерно на два порядка больше по сравнению с Аг+.
Масс-распределения кластеров (п = 1-17) (рис. 16) показывают монотонный спад интенсивностей с увеличением числа атомов п в кластере при п > 2. Выходы кластерных ионов приблизительно одинаковы под действием Б и Хе+. Ис-
ЭМИССИЯ И ФРАГМЕНТАЦИЯ КЛАСТЕРНЫХ ИОНОВ
77
ключением здесь является больший выход мономера ЫЪ+ при бомбардировке Б Б+, превышающий
выход димера. Распределение кластеров №+ при распылении ионами Аг+ характеризуется более быстрым по сравнению с Б Б+ и Хе+ спадом интен-сивностей с увеличением размера кластера.
Во многом неожиданным является характер масс-распределений кластеров Та+ (п = 1-8), распыленных ионами Б Б+, Хе+ и Аг+ (рис. 1в). Наибольшие значения выхода кластерных ионов получены здесь при бомбардировке поверхности
пучком Хе+. В масс-спектрах Та+ при распылении ионами Хе+ и Аг+ четко выявляется увеличение выхода ионов Та2 и Та4 и падение выхода Та3, что обычно связывается с повышенной стабильностью Та2 и Та4 и низкой стабильностью Та3. Однако при распылении Та ионами Б Б+ увеличения выхода Та+ и Та+ не наблюдается, а провал на кривой зависимости для Та+ выражен слабо. Как и
в случае ниобия (рис. 16), при распылении Б Б+ наибольшую интенсивность имеет атомарный ион Та+.
Масс-спектры продуктов распыления А§, ЫЪ, Та ионами Б Б+ отличает присутствие гетероядер-ных ионов типа МепР+т (т = 1-4), МепБ+, Меп8Б+,
Меп 8+ и других, выход которых, как правило, на порядок меньше, чем выход гомоядерных кластеров. В качестве примера на рис. 2 приведены масс-спектры гетероядерных кластеров, распыленных Б Б+ с поверхности тантала.
При исследовании процессов фрагментации, имеющих наибольшие интенсивности в масс-спектрах гетероядерных кластеров МепБ+, Меп Б+ и МепБ+
(где Ме - атом соответствующего металла), найдено, что для каждой указанной группы наиболее интенсивными являются каналы с образованием гомоядерных ионов:
Меп Б
МепБ+
Меп 8
■ Меп + Р, Меп Б Ме+ + Б+, МепР •Ме+ + 8, Меп8
+
п Р2
Меп 8+
Меп
Меп
Меп+
+ МеБ; (1)
-1 + МеБ2; (2)
1 + Ме8, - (3)
Меп-2 + Ме28.
Оценки вероятностей распадов кластеров в бесполевых зонах прибора показывают, что их
I, отн. ед.
107
106
105
104
103
1 2 I, отн. ед.
107 106 105 104 103 102 101
(а)
Хе+ 8Б5+ Аг+
6 7 8 9 10 11 12
п
(б)
8Б5+
Хе+ Аг+
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
2
I, отн.ед.
106 105 104
4 6
8 10
(в)
12 14
16 18
п
Хе+ Аг+
8Б5+
0
Рис. 1. Масс-спектры положительных кластеров, распыленных с поверхности Ag (а), № (б) и Та (в) ионами
Хе+, Аг+ и Б Б+ ; п - число атомов в кластере.
I, отн. ед. 106^ *
105
104
103
102
101
"Та, -ТапБ+ -ТапР2+
-Т^
"Тапр4+
Рис. 2. Масс-спектры положительных гетероядерных кластеров при распылении поверхности Та ионами
Б Б+; п - число атомов в кластере.
+
78
ДЖЕМИЛЕВ и др.
численные значения существенно (на два порядка и более) различаются во временных диапазонах 10-6 и 10 с с момента эмиссии. Это свидетельствует о том, что значительная часть вторичных частиц могла быть распылена первоначально в виде гетероядерных комплексов, что также необходимо принимать во внимание при анализе получаемых масс-распределений.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Масс-спектры вторичных ионов, распыленных ионами Б Г+, свидетельствуют о сложности и многообразии процессов, протекающих в приповерхностной области металлов и влияющих на распространенность различных групп вторичных частиц. В случае, когда бомбардирующие ионы являются
ионами химически активных элементов (Б Г+), изменяется химическая и электронная структура поверхностного слоя, что приводит к изменению как коэффициента распыления, так и коэффициента ионизации вторичных частиц. Данное изменение коэффициента ионизации наиболее сильно проявляется у кластеров Ag+, вероятность ионизации которых при распылении ионами инертных газов составляет при п < 12 величину 10-3-10-2 [3]. Увеличение выхода кластеров Ag+ при бомбардировке Б Г+ может быть объяснено, таким образом, увеличением ионизации распыленных частиц, в частности, влиянием активных атомов Б. При
распылении же пучком Б Г+ поверхности №> и Та влияние процесса ионизации может существенным образом сказаться лишь на малых кластерах, давая, в частности, большой выход мономеров №>+ и Та+.
С увеличением размера кластеров №+ и Та+ степень их ионизации при распылении инертными газами увеличивается, и при п > 5 большинство этих кластеров оказывыается ионизованным [3]. Это приводит к тому, что увеличения выхода кластеров №+ и Та+ с п > 1 при переходе от распыления Хе+ к Б Г+ не наблюдается.
Для объяснения особенностей формирования масс-распределений при бомбардировке поверх-
ности ионами S F+ необходимо принимать во внимание также процессы эмиссии и фрагментации гетероядерных кластеров. Хотя их интенсивности в масс-спектрах уступают интенсивностям го-моядерных кластеров, большие скорости фрагментации гетероядерных кластеров свидетельствуют о том, что непосредственно в момент эмиссии их доля в составе продуктов распыления могла быть значительно выше. Следовательно, значительная часть вторичных частиц могла первоначально эмиттироваться в составе гетероядерных комплексов, что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на характер полученных масс-распределений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные результаты изучения эмиссии кластерных частиц при распылении поверхности молекулярными ионами свидетельствуют о том, что простое увеличение размера бомбардирующей частицы не всегда приводит к увеличению выхода кластерных ионов. На вид масс-распределений могут оказывать влияние как процессы ионизации распыленных кластеров, связанные с активностью атомов, входящих в состав молекулы первичного пучка, так и эмиссия и фрагментация гетерояденых комплексов, состоящих из атомов материала мишени и атомов бомбардирующей молекулы. Изучение влияния данных параметров на эмиссию кластерных частиц является предметом дальнейших исследований.
Работа выполнена при финансовой помощи Фонда поддержки фундаментальных исследований Академии наук Республики Узбекистан.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yamamoto H, Esaka F., Asaoka H. // Secondary Ion Mass Specrtometry (SIMS XII) / Eds Benninghoven A. et al. Elsevier Science, 2000. P. 295.
2. Yamamoto H, Baba Y. // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 72. P. 2406.
3. Heinrich R, Staudt C, Wahl M, Wucher A. Secondary Ion Mass Specrtometry (SIMS XII) / Eds Benninghoven A. et al. Elsevier Science, 2000. P. 169.
4. Bekkerman A.D., Dzemilev N.Kh., Rotstein V.M. // Surf. Interf. Analysis. 1990. V. 15. P. 587.
Emission and Fragmentation of Cluster Ions Sputtered from Metal Surfaces
by S F+ Ions
N. Kh. Dzhemilev, S. E. Maksimov, S. F. Kovalenko, V. I. Tugushev
The results of comparative investigation of emission and fragmentation of cluster ions under bombardment of Nb, Ta and Ag surface by atomic (Ar+, Xe+) and molecular (S F+) ions are pr
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.