ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 12, с. 79-84
УДК 537.534.8
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ, ВЫБИТЫХ С ПОВЕРХНОСТИ ВОЛЬФРАМА
© 2004 г. В. Н. Мельников, В. Т. Коппе, В. В. Шехурин,
Харьковский национальный университет им. В Н. Каразина, Харьков, Украина Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Измерены энергетические распределения атомарных и кластерных вторичных ионов, распыленных ионами Ar+ с энергией 18 кэВ с чистой поверхности вольфрама и с поверхности, покрытой кислородом в различной степени. Определены энергетическая зависимость вероятности ионизации распыленных атомов вольфрама и изменения вероятности ионизации при малых покрытиях вольфрама кислородом.
Ä. Г. Коваль
ВВЕДЕНИЕ
Существует большое количество работ, посвященных измерению энергетических распределений вторичных ионов [1-7]. Тем не менее, до сих пор остается до конца невыясненным ряд моментов, касающихся как вида энергетического распределения (вклада ионов различных энергетических групп) для вторичных ионов различного состава, так и влияния на форму энергетических распределений различных факторов, таких как электронная структура материала, состояние поверхности и т.д.
Данная работа посвящена исследованию энергетических распределений атомарных и кластерных вторичных ионов, распыленных с чистой поверхности вольфрама и с поверхности, находящийся в атмосфере, содержащей кислород при различных парциальных давлениях.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе определено также энергетическое распределение вероятности ионизации атомов вольфрама, распыленных с чистой поверхности вольфрама, и исследовано влияние малых покрытий поверхности вольфрама кислородом на вероятность ионизации при различных энергиях атомов. Исследовался поликристаллический вольфрам чистотой 99.95 %. Измерения проведены на вторично-эмиссионном масс-спектрометре, позволяющем исследовать энергетические распределения вторичных ионов в интервале энергий от нескольких электрон-вольт до 2000 эВ. В качестве первичных ионов использовались ионы Аг+ с энергией 18 кэВ и плотностью тока 2 х 10-5 А/см2. Бомбардировка осуществлялась под углом 60° к нормали к поверхности образца, анализ вторичных ионов - по нормали к поверхности. Вакуум в камере создавался безмасляными средствами откачки и достигал ~10-6 Па (по кислороду - не хуже 10-7 Па).
Экспериментальная установка описана в работе [4]. Энергетические распределения измерены для
вторичных ионов W+, , WO+, W2O+, .
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Для расчета энергетических распределений вероятности ионизации применена методика, являющаяся дальнейшим развитием методики, использованной в работах [6, 7]. Будем рассматривать, в соответствии с условиями эксперимента, вторичные частицы, распыленные по нормали к поверхности образца. Представим энергетическое распределение атомарных ионов, распыленных с поверхности твердого тела, в виде:
dN+ _ р+( dN dE _ dE'
(1)
dN dN
где —е- и — - энергетические распределения
МЕ МЕ
распыленных атомарных заряженных частиц и атомарных частиц без учета зарядового состояния; Р+(Е) - степень ионизации (определяется как отношение количества ионов, распыленных в интервале энергий от Е до Е + МЕ, к общему количеству атомарных частиц, распыленных в этом же энергетическом интервале).
Таким образом, принимая во внимание соотношение (1), имеем для степени ионизации:
P+(E) _
dN+ dE
dN dE
(2)
Вероятность ионизации характеризует вероятность пребывания распыленной частицы в данном зарядовом состоянии и является пределом, к которому стремится значение степени ионизации при рассмотрении бесконечно большого количества событий распыления. Подчеркнем здесь, что
экспериментальные условия данной работы таковы, что измеренные значения степени ионизации достаточно близки к величине вероятности ионизации. Поскольку при каждом значении измеренного ионного тока регистрируемое количество вторичных ионов значительно превышает единицу, поэтому в дальнейшем будем использовать термин "вероятность ионизации", хотя, строго говоря, в работе измерялась степень ионизации.
Вероятность ионизации Р+(Е) может быть представлена в виде:
Р+( Е) = Р+Р
+
выж'
(3)
где Р+ - вероятность первоначальной ионизации;
Р+
- вероятность выживания иона при отлете
от поверхности мишени. Как следует из [8], вероятность выживания заряженной частицы, отлетающей от поверхности твердого тела, определяется выражением:
Р+ыж = А ехр (,
(4)
где А и v0 - константы, зависящие от свойств твердого тела и электронной структуры отлетающей частицы; Vп - проекция скорости отлетающей частицы на нормаль к поверхности.
Для определения энергетического распределения распыленных атомов воспользуемся выражением [9]:
аИ
йЕ
ВЕ
(Е + Еь))
(5)
где Еь - поверхностная энергия связи; В - коэффициент пропорциональности. Примем во внимание, что
Мт = IШ (Е) (Е =
о
(6)
N
= I Ш(Е) (Е = К+
(7)
И+ - общее количество положительных вторичных ионов, распыленных в данном направлении; 5 и К+ - коэффициент распыления и коэффициент вторичной ионной эмиссии материала при данных экспериментальных условиях.
Проведем нормировку энергетических распреде-„ йИ+ йИ
лений —-— и — на один падающий ион. Тогда ин-аЕ аЕ
теграл по всем энергиям от выражения (5) численно должен быть равен коэффициенту распыления материала при данных условиях (подгонка осуществляется соответствующим выбором коэффициента
В), а площадь под кривой —— (ЕЕ) - коэффициенту
аЕ
вторичной ионной эмиссии материала при данных экспериментальных условиях. В этом случае рас-
пределения
аи аи
(Е
и — будут получены в одном аЕ
где N - количество первичных ионов; Ит - общее количество частиц, распыленных в данном направлении (без учета их зарядового состояния);
масштабе. Воспользовавшись далее соотношением (2), найдем энергетическую зависимость вероятности ионизации.
При вычислении вероятностей ионизации было использовано значение коэффициента вторичной ионной эмиссии К+ из [10], так как экспериментальные условия этой работы близки к экспериментальным условиям данной работы. Поскольку К+ характеризует общий выход всех вторичных ионов, а в нашем случае вычисляется вероятность ионизации атомов, был оценен вклад кластерных вторичных ионов в общий выход вторичных ионов. Выход г-ых вторичных ионов считался пропорциональным площади под кривой —— (Е). Результа-
аЕ
ты расчета для вольфрама при фоновом давлении приведены в таблице.
Видно, что вклад кластерных ионов составляет около 5 %, поэтому в данных расчетах их вклад в общий выход вторичных ионов не учитывался.
Значение 5 было взято из работы [11]. Данные, приведенные в [11], получены при нормальном падении пучка на поверхность, поэтому была проведена их корректировка с учетом условий бомбардировки в настоящей работе, при этом считалось, что коэффициент распыления при увеличении угла бомбардировки ф возрастает пропорционально 1/соз ф. В качестве поверхностной энергии связи атомов Еь была использована энергия сублимации [12].
и
о
Выход У основных вторичных ионов, распыленных с поверхности вольфрама
Ионы W+ W+ Вклад ионов %
У, отн. ед. 1.9 х 106 5.1 х 104 <1 х 104 4.6 х 104 94.7
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ
Энергетические распределения вторичных ионов W+, измеренные при различных парциальных давлениях кислорода в камере, приведены на рис. 1. Видно, что распределения ионов, распыленных с чистой поверхности вольфрама (при фоновом давлении кислорода), широкие и имеют максимум при энергии 140 эВ. При повышении давления кислорода до 2 х 10-3 Па происходит увеличение выхода вторичных ионов во всем интервале энергий с преимущественным ростом количества ионов с энергиями 100-200 эВ. Дальнейшее увеличение давления кислорода от 2 х 10-3 Па до 8 х 10-3 Па не приводит к изменению формы энергетических распределений и количества вторичных ионов W+. Ширина распределения атомарных ионов вольфрама на полувысоте составляет ~400 эВ для чистой поверхности вольфрама и уменьшается до 200-250 эВ для вольфрама, покрытого поверхностными оксидами.
Наблюдаемые изменения энергетических распределений ионов W+ заметно отличаются от изменений (при аналогичных изменениях экспериментальных условий) энергетических распределений атомарных ионов, выбитых с поверхности 3М-металлов с небольшим (1-5) количеством электронов на М-оболочке (Бе, Т1, V, Сг, Мп) [7, 13]. Для этих и ряда других металлов (Ве, А1) [14, 15] увеличение давления кислорода приводит к резкому росту выхода ионов с энергиями до 50 эВ; этот эффект значительно менее выражен для ионов с большими энергиями.
Если учесть, в соответствии с выражением (4), что нейтрализационные процессы во многом определяются скоростными характеристиками отлетающей частицы, то полезно представить полученные результаты в зависимости от скорости отлетающей частицы. На рис. 2 приведены такие зависимости при нескольких характерных парциальных давлениях кислорода. Для сравнения на этом же рисунке приведены аналогичные зависимости для алюминия (экспериментальные результаты взяты из работы [15]). Видно, что в этом случае основные максимумы для обоих металлов при повышенных давлениях кислорода достаточно хорошо совпадают и находятся при скоростях частиц ~104 м/с. Из особенностей следует отметить значительно более быстрое уменьшение количества распыленных частиц с повышением их скорости в случае вольфрама.
Изменения энергетических распределений атомарных вторичных ионов, подобные полученным для вольфрама, наблюдались в работе [16] для ниобия и в работе [17] для циркония и молибдена. Максимумы этих зависимостей при повышенных давлениях кислорода находятся в области энергий
отн. ед.
105
104
103
102
101
5, 6 4
3 2
100
101
102 103 Энергия ионов, эВ
Рис. 1. Энергетические распределения атомарных вторичных ионов, распыленных с поверхности вольфрама при различных давлениях кислорода Ро , Па:
1 - ~10-7; 2 - 6.5 х 10-5; 3 - 2.0 х 10-4; 4 - 6.5 х 10-4; 5 -2.0 х 10-3; 6 - 7.8 х 10-3.
с№+/йЕ, отн. ед.
10
104
103
5
102
20000
40000 80000 120000 Скорость частиц, м/с
Рис. 2. Распределение по
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.