ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 5, с. 17-20
УДК 537.534
РАСПЫЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ БИНАРНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПРИ СКОЛЬЗЯЩЕЙ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКЕ
© 2004 г. А. А. Джурахалов1, Ф. Ф. Умаров2
1Институт электроники АН РУз, Ташкент, Узбекистан 2НИИ прикладной физики Национального университета Узбекистана, Ташкент, Узбекистан
Поступила в редакцию 09.09.2003 г.
В работе исследовано распыление поверхности 0аАв(001) при бомбардировке ионами Бе, Ве с Е0 = = 1 кэВ и поверхностей 0аР(001), Си3Аи(001) при бомбардировке ионами № с Е0 = 5 кэВ под скользящими углами. Приведены полные и парциальные коэффициенты распыления в зависимости от угла скольжения в интервале 0°-30°. Показаны оптимальные условия для послойного распыления и дополнительные механизмы преимущественного распыления в условиях скользящей ионной бомбардировки.
ВВЕДЕНИЕ
Использование скользящих углов падения ионов на поверхность открывает новые перспективы в исследовании тонких слоев вещества, так как в этом случае ионы не проникают глубоко в мишень. В частности, это важно при изучении структуры [1] и топографии [2] реальной поверхности, особенностей потенциальных полей, ионной полировки и управлении ионными пучками [3-5]. До настоящего времени практически полностью отсутствуют данные о распылении многокомпонентных мишеней в особых условиях скользящей ионной бомбардировки. Отметим, что даже для одно-компонентных мишеней имеются всего несколько экспериментальных работ, связанных с проблемой полировки и очистки поверхностей при скользящей бомбардировке. Известно, что при распылении многокомпонентных мишеней часто наблюдается эффект преимущественного распыления, заключающийся в том, что эффективности распыления различных компонентов оказываются различными [6]. Этот эффект может привести к изменению состава поверхностных слоев твердого тела и является одной из важных причин модификации их физических и химических свойств. При разработке пленочных технологий его необходимо учитывать и, если возможно, управлять им. В настоящее время нет полной ясности в вопросе о роли различных факторов в процессе преимущественного распыления.
В настоящей работе приведены результаты расчетов зависимостей коэффициента распыления поверхности двухкомпонентных монокристаллов ваР(001), ваАв(001) и Си3Аи(001) от угла скольжения, отсчитываемого от поверхности кристалла, при ионной бомбардировке под скользящими углами.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА
Расчеты проведены с помощью компьютерного моделирования процесса распыления в режиме прямого выбивания с применением приближения парного столкновения. В качестве потенциала взаимодействия сталкивающихся частиц был использован универсальный потенциал Циглера-Бирза-ка-Литтмарка. Предварительные расчеты показали, что при скользящей ионной бомбардировке образование первично выбитых атомов (ПВА) со слоев ниже третьего практически невозможно, и поэтому при расчете учитывались вклады ПВА, образованных только в первых трех приповерхностных слоях с учетом их последующих столкновений с другими атомами мишени и преобладания плоского поверхностного барьера.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Важной характеристикой процесса распыления является угловая зависимость выхода распыленных частиц £Ху). Нами было проведено комплексное исследование поведения функции для ПВА, вносящих основной вклад в распыление при скользящих углах бомбардировки.
На рис. 1 приведены зависимости полного коэффициента распыления поверхности ваАв(001) от угла скольжения, £Ху), и вклады в него прямо выбитых атомов отдачи, образуемых в первых трех приповерхностных слоях при бомбардировке ионами Бе4" с Е0 = 1 кэВ вдоль направления (110). Следует отметить, что атомы каждого компонента расположены послойно в плоскостях (001), при этом атомы Ав расположены в первом и третьем, а атомы ва во втором и четвертом слоях.
Видно, что зависимость полного коэффициента распыления имеет порог при у = = 12°. Существование такого порога обусловлено тем,
-♦— полный
- ■ - - 1-слой
- А - - 2-слой
- • - - 3-слой
5
1.2 Г
1.0 -
0.8 -
0.6 -
0.4 -
0.2 -
0 5 10 15 20 25 30
V, гРаД
Рис. 1. Коэффициенты распыления поверхности 0аАв(001) при бомбардировке ионами 8е+ с Е0 = 1 кэВ вдоль полуканала (110).
что при достаточно малых значениях V энергия Е± = т V]_/2, соответствующая нормальной составляющей скорости V = ^т V) падающей частицы, становится меньше энергии потенциального барьера, создаваемого атомными рядами поверхности и препятствующего проникновению ионов вглубь мишени. В результате при скользящих углах падающие ионы не могут выбивать атомы мишени из-за невозможности их проникновения внутрь кристалла. Величина уп слабо зависит от массы падающего иона и несколько уменьшается с ростом начальной энергии Е0.
При V > "Уп (с увеличением V) наблюдается общий рост зависимости 5^) до определенного значения V и ее дальнейший спад. Рост зависимости 5^) связан с тем, что при этих значениях V увеличивается число ионов первичного пучка, проникающих сквозь поверхность, которые в процессе длительного движения в полуканалах и каналах приповерхностного слоя выбивают большое число атомов приповерхностных слоев. Спад зависимости 5^) при больших V объясняется увеличением количества ионов, проникающих в глубь кристалла, т.е. ухудшением режима прямого выбивания.
Можно легко заметить, что относительные вклады каждого слоя в полный коэффициент распыления различны при разных V. Во всем исследованном интервале углов скольжения вклад ПВА
первого слоя в полный коэффициент распыления больше, чем относительные вклады второго и третьего слоев, а в интервале 12° < V < 21° практически выбиваются только атомы поверхностного слоя (Ав) и они образуют пик при V = 22°. Атомы второго (ва) и третьего (Ав) слоев начинают вносить вклад с V = 19°. Эти результаты показывают, что послойное распыление поверхности монокристалла возможно при бомбардировке вдоль низкоиндексных направлений в узком интервале углов скольжения вблизи порогового угла распыления.
Нами были проведены аналогичные расчеты при бомбардировке ионами Ве+. В этом случае наблюдалось, что полный коэффициент распыления почти вдвое меньше, чем в случае ионов Бе+. Это обусловлено тем, что в случае легких ионов, во-первых, передача их энергии атомам мишени меньше, чем в случае тяжелых ионов, и, во-вторых, ионы Ве+ легко проникают в глубь мишени, и таким образом часть ионов не образует ПВА в поверхностных слоях. С другой стороны, в случае ионов Ве+ порог распыления как для первого слоя, так и для второго и третьего слоев начинается практически при одинаковых значениях V. При этом заметное преобладание выхода атомов поверхностного слоя в этом случая также сохраняется. В обоих случаях, т.е. при бомбардировке как ионами Бе+, так и ионами Ве+, пороговые значения коэффициента распыления почти одинаковы, что свидетельствует о слабом влиянии массы налетающих частиц на величину Vп.
В условиях, соответствующих послойному распылению поверхности монокристалла, открывается возможность для послойного элементного анализа кристаллических твердых тел с разрешением по глубине порядка постоянной решетки кристалла [7]. Подчеркнем, что бомбардировка поверхности под скользящими углами позволяет существенно уменьшить влияние эффекта "стенок кратера" и ионного перемешивания на результаты послойного анализа, что позволяет повысить его точность и чувствительность. Полученные зависимости дают возможность выбрать наиболее оптимальный режим такого распыления (энергии Е0 и угла V), когда оно является достаточно эффективным и послойным. Такой тип распыления может быть использован в задачах анализа поверхности и в ионных технологиях для получения атомно-гладких поверхностей.
Нами также рассчитаны парциальные коэффициенты распыления двухкомпонентных кристаллов в условиях скользящей ионной бомбардировки.
На рис. 2 приведены зависимости парциальных коэффициентов распыления компонентов поверхности ваР(001) при бомбардировке ионами с Е0 = 5 кэВ вдоль направления (110).
РАСПЫЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ БИНАРНЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ
19
Кристаллическая структура ваР такая же, как у ваЛв: атомы каждого компонента расположены послойно в плоскостях (001), при этом атомы ва расположены в первом и третьем, а атомы Р - во втором и четвертом слоях. В расчетах учитывалось срезание поверхностного слоя, т.е. поверхность ваР(001) рассматривалась как завершающаяся атомами ва или атомами Р (при полном удалении поверхностного слоя). Парциальные коэффициенты усреднялись по результатам для этих двух случаев. Следует отметить, что парциальные коэффициенты как для атомов ва, так и для атомов Р рассчитаны из суммарного вклада атомов, выбитых с первых трех слоев.
Видно, что в интервале углов скольжения 5° < < у < 10°, несмотря на большую массу атома ва, усредненный выход атомов ва заметно больше, чем выход атомов Р. Причиной этого является особая структура кристалла ваР и полуканала в направлении (110). Этот результат показывает, что вопреки общеизвестным представлениям о преимущественном распылении, в указанном интервале угла скольжения наблюдается преимущественное распыление более тяжелого компонента, что может привести к обогащению поверхности атомами легкого компонента Р. А в области у > 11° выход атомов Р, в соответствии с традиционными представлениями, преобладает над выходом атомов ва.
В рассмотренном выше случае поверхность ваР(001) состоит из атомов только одного компонента: либо из атомов ва, либо из атомов Р (при полном удалении поверхностных атомов ва). Поэтому интересно было рассмотреть поведение зависимости парциальных коэффициентов распыления, когда поверхность содержит оба компонента. Нами было рассмотрено распыление поверхности Си3Ли(001). Состав сплава Си3Ли соответствует 75 ат. % Си и 25% ат. % Ли, а содержание грани (001) соответствует равной концентрации обеих компонент: 50% Си и 50% Ли. Таким образом, поверхностный и третий слои состоят как из атомов Ли, так и из атомов Си, а второй и четвертый слои состоят только из атомов Си.
На рис. 3 приведены парциальные коэффициенты распыления компонентов 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.