Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Коммерческая система распыления AJA Orion в научно-техническом центре Cornell NanoScale

В физике, напыление представляет собой явление , в котором микроскопические частицы из твердого материала выбрасываются из его поверхности, после того, как материал сам по себе бомбардировке энергичных частиц одного плазмы или газа . [1] Это происходит естественным образом в космосе 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 выполнения точного травления , выполнения аналитических методов и нанесения тонкопленочных слоев при производстве оптических покрытий., полупроводниковые приборы и продукты нанотехнологии . Это метод физического осаждения из паровой фазы . [2]

Физика [ править ]

Когда энергичные ионы сталкиваются с атомами материала мишени, между ними происходит обмен импульсом . [1] [3] [4]

Распыление из каскада линейных столкновений. Толстая линия показывает положение поверхности, причем 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 энергия связи поверхности мишени , 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 кристаллическую структуру, ориентация ее осей относительно поверхности является важным фактором.

Ионы, вызывающие распыление, поступают из различных источников - они могут поступать из плазмы , специально сконструированных источников ионов , ускорителей частиц , космического пространства (например, солнечного ветра ) или радиоактивных материалов (например, альфа-излучения ).

Аналитической моделью Томпсона является модель для описания распыления в каскадном режиме аморфных плоских мишеней. [5] В программе TRIM реализован алгоритм, моделирующий распыление на основе квантово-механической обработки, включая отрыв электронов при высокой энергии . [6]

Другой механизм физического распыления называется «распыление тепловых всплесков». Это может произойти, когда твердое тело достаточно плотное, а приходящий 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. [7]Распыление тепловыми выбросами наиболее важно для тяжелых ионов (например, Xe или 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 всплесков часто нелинейно увеличивается с увеличением энергии, и для небольших кластерных ионов может привести к значительным выходам распыления на кластер порядка 10 000. [8] 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 атому-мишени равна энергии связи поверхностного атома. Другими словами, это может произойти только тогда, когда ион способен передать больше энергии мишени, чем требуется для того, чтобы атом оторвался от своей поверхности.

Этот порог обычно находится в диапазоне от десяти до ста эВ .

Предпочтительное распыление может происходить в начале, когда многокомпонентная твердая мишень бомбардируется 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.

Электронное напыление [ править ]

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 за счет электронной тормозной способности , где электронные возбуждения вызывают распыление. [9] Электронное распыление обеспечивает высокий выход распыления изоляторов , так как электронные возбуждения, вызывающие распыление, не гаснут сразу, как в проводнике. Одним из примеров этого является Юпитера покрыт льдом луны Европы , где МЫ серы ион из магнитосферы Юпитера может извлечь до 10000 H 2 O молекулы. [10]

Возможное разбрызгивание [ править ]

Коммерческая система распыления

В случае многозарядных ионов-снарядов может иметь место особая форма электронного распыления, которая получила название потенциального распыления . [11] [12] В этих случаях потенциальная энергия, запасенная в многозарядных ионах (т. Е. Энергия, необходимая для создания иона с этим зарядовым состоянием из его нейтрального атома), высвобождается, когда ионы рекомбинируют во время удара о твердую поверхность (образование из 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. Возможное распыление наблюдается только для определенных видов мишеней [13]и требует минимум потенциальной энергии. [14]

Травление и химическое распыление [ править ]

Удаление атомов путем распыления инертным газом называется ионным измельчением или ионным травлением .

Распыление также может играть роль в реактивном ионном травлении (RIE), плазменном процессе, проводимом с химически активными ионами и радикалами, для которого выход распыления может быть значительно увеличен по сравнению с чистым физическим распылением. Реактивные ионы часто используются в оборудовании для масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) для увеличения скорости распыления. Механизмы, вызывающие усиление распыления, не всегда хорошо изучены, хотя случай травления кремния фтором хорошо смоделирован теоретически. [15]

Наблюдаемое распыление ниже пороговой энергии физического распыления также часто называют химическим распылением. [1] [4] Механизмы такого распыления не всегда хорошо изучены, и их может быть 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. [16] Вызванное водородом распыление углеродных материалов, наблюдаемое при низких температурах, было объяснено тем, что ионы H попадают между CC-связями и, таким образом, разрывают их, механизм, получивший название быстрого химического распыления . [17]

Приложения и явления [ править ]

Распыление происходит только тогда, когда кинетическая энергия падающих частиц намного выше, чем обычные тепловые энергии ( ≫ 1 эВ ). При работе на постоянном токе (напыление на постоянном токе) используются напряжения 3-5 кВ. При работе с переменным током ( радиочастотное распыление) частоты находятся в диапазоне 14 МГц.

Очистка распылением [ править ]

Поверхности твердых тел можно очистить от загрязнений с помощью физического распыления в вакууме . Очистка распылением часто используется в поверхностных исследованиях , вакуумном напылении и ионном осаждении . В 1955 году Фарнсворт, Шлир, Джордж и Бургер сообщили об использовании очистки распылением в системе сверхвысокого вакуума для подготовки сверхчистых поверхностей для исследований дифракции низкоэнергетических электронов (ДМЭ). [18] [19] [20] Распылительная очистка стала неотъемлемой частью процесса ионного покрытия . Когда очищаемые поверхности большие, аналогичная техника, плазменная очистка, может быть использован. Очистка распылением имеет некоторые потенциальные проблемы, такие как перегрев, попадание 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 не загрязнять поверхность постоянно 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 предпочтительно распыляются с поверхности.

Пленка [ править ]

Основная статья: напыление

Осаждение распылением - это метод нанесения тонких пленок распылением, который включает эрозию материала из «целевого» источника на «подложку», например, кремниевую пластину , солнечный элемент, оптический компонент или многие другие возможности. [21] Повторное нанесение , напротив, включает повторную эмиссию осажденного материала, например SiO 2, во время осаждения также посредством ионной бомбардировки.

Распыленные атомы выбрасываются в газовую фазу, но не находятся в состоянии термодинамического равновесия и имеют тенденцию осаждаться на всех поверхностях вакуумной камеры. Подложка (например, пластина), помещенная в камеру, будет покрыта тонкой пленкой. Распыление осаждение обычно использует аргон плазму , так как аргон, инертный газ, не будет вступать в реакцию с материалом мишени.

Офорт [ править ]

В полупроводниковой промышленности для травления мишени используется распыление. Распылительное травление выбирают в тех случаях, когда необходима высокая степень анизотропии травления и селективность не является проблемой. Одним из основных недостатков этого метода является повреждение пластины и использование высокого напряжения.

Для анализа [ править ]

Еще одно применение распыления - это травление материала мишени. Один из таких примеров имеет место 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.

В космосе [ править ]

Распыление является одной из форм космического выветривания, процесса, который изменяет физические и химические свойства безвоздушных тел, таких как астероиды и Луна . На ледяных спутниках, 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 экзосферу, ограниченную поверхностью .


Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Р. Бериш (ред.) (1981). Распыление бомбардировкой частицами . Спрингер, Берлин. ISBN 978-3-540-10521-3.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  2. ^ http://www.semicore.com/news/94-what-is-dc-sputtering
  3. ^ П. Зигмунд, Nucl. Instrum. Методы Phys. Res. B (1987). «Механизмы и теория физического распыления ударами частиц». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Раздел B . 27 (1): 1–20. Bibcode : 1987NIMPB..27 .... 1S . DOI : 10.1016 / 0168-583X (87) 90004-8 .
  4. ^ a b Р. Бериш и В. Экштейн (ред.) (2007). Распыление бомбардировкой частицами: эксперименты и компьютерные расчеты от пороговой до Мэв энергии . Спрингер, Берлин.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  5. ^ MW Томпсон (1962). «Энергетический спектр выброшенных атомов при высокоэнергетическом распылении золота». Фил. Mag . 18 (152): 377. Bibcode : 1968PMag ... 18..377T . DOI : 10.1080 / 14786436808227358 .
  6. ^ ДФ Циглер, Дж Р, Бирзак, У. Littmark (1984). Остановка и пробег ионов в твердых телах, том 1 серии "Остановка и диапазоны ионов в веществе" . Pergamon Press, New York. ISBN 978-0-08-021603-4.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  7. ^ Mai Ghaly & RS Averback (1994). «Влияние вязкого течения на ионное повреждение вблизи твердых поверхностей». Письма с физическим обзором . 72 (3): 364–367. Bibcode : 1994PhRvL..72..364G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.72.364 . PMID 10056412 . 
  8. ^ С. Боуно; А. Брюнель; С. Делла-Негра; Дж. Депау; Д. Жаке; YL Beyec; М. Паутра; М. Фаллавье; JC Poizat & HH Андерсен (2002). «Очень большие выходы распыления золота и серебра, индуцированные кластерами Au n с энергией от кэВ до МэВ (n = 1–13)» . Phys. Rev. B . 65 (14): 144106. Bibcode : 2002PhRvB..65n4106B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.65.144106 .
  9. ^ Т. Шенкель; Briere, M .; Schmidt-Böcking, H .; Bethge, K .; Schneider, D .; и другие. (1997). «Электронное напыление тонких проводников нейтрализацией медленных высокозарядных ионов» . Письма с физическим обзором . 78 (12): 2481. Bibcode : 1997PhRvL..78.2481S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.78.2481 .
  10. ^ Джонсон, RE; Карлсон, RW; Купер, Дж. Ф.; Paranicas, C .; Мур, MH; Вонг, MC (2004). Фрэн Багенал; Тимоти Э. Доулинг; Уильям Б. Маккиннон (ред.). Радиационные эффекты на поверхности галилеевых спутников. В: Юпитер. Планета, спутники и магнитосфера . 1 . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 485–512. Bibcode : 2004jpsm.book..485J . ISBN 0-521-81808-7.
  11. ^ Т. Нейдхарт; Пихлер, Ф .; Aumayr, F .; Зима, л.с. .; Schmid, M .; Varga, P .; и другие. (1995). «Возможное распыление фторида лития медленными многозарядными ионами» . Письма с физическим обзором . 74 (26): 5280–5283. Bibcode : 1995PhRvL..74.5280N . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.5280 . PMID 10058728 . 
  12. ^ М. Спорн; Libiseller, G .; Neidhart, T .; Schmid, M .; Aumayr, F .; Зима, л.с. .; Varga, P .; Grether, M .; Niemann, D .; Stolterfoht, N .; и другие. (1997). «Возможное распыление чистого SiO 2 медленными высоко заряженными ионами» . Письма с физическим обзором . 79 (5): 945. Bibcode : 1997PhRvL..79..945S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.79.945 .
  13. ^ F. Aumayr и HP Winter (2004). «Возможное разбрызгивание». Философские труды Королевского общества А . 362 (1814): 77–102. Bibcode : 2004RSPTA.362 ... 77А . DOI : 10,1098 / rsta.2003.1300 . PMID 15306277 . 
  14. ^ Г. Хайдерер; Schmid, M .; Varga, P .; Зима, H; Aumayr, F .; Wirtz, L .; Lemell, C .; Burgdörfer, J .; Hägg, L .; Reinhold, C .; и другие. (1999). «Порог потенциального распыления LiF» (PDF) . Письма с физическим обзором . 83 (19): 3948. Bibcode : 1999PhRvL..83.3948H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.83.3948 .
  15. ^ TA Schoolcraft и BJ Garrison, Журнал Американского химического общества (1991). «Начальные этапы травления поверхности кремния Si110 2x1 нормальными падающими атомами фтора с энергией 3,0 эВ: исследование молекулярной динамики». Журнал Американского химического общества . 113 (22): 8221. DOI : 10.1021 / ja00022a005 .
  16. ^ J. Küppers (1995). «Химия водородной поверхности углерода как материала, обращенного к плазме». Отчеты по науке о поверхности . 22 (7–8): 249–321. Bibcode : 1995SurSR..22..249K . DOI : 10.1016 / 0167-5729 (96) 80002-1 .
  17. ^ Э. Салонен; Nordlund, K .; Keinonen, J .; Wu, C .; и другие. (2001). «Быстрое химическое распыление аморфного гидрогенизированного углерода» . Physical Review B . 63 (19): 195415. Bibcode : 2001PhRvB..63s5415S . DOI : 10.1103 / PhysRevB.63.195415 .
  18. ^ Фарнсворт, HE; Schlier, RE; Джордж, TH; Бургер, RM (1955). «Ионная бомбардировка-Очистка германия и титана, как определено дифракцией электронов низких энергий». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 26 (2): 252–253. DOI : 10.1063 / 1.1721972 . ISSN 0021-8979 . 
  19. ^ Фарнсворт, HE; Schlier, RE; Джордж, TH; Бургер, RM (1958). «Применение метода очистки ионной бомбардировкой к титану, германию, кремнию и никелю, как определено с помощью дифракции электронов низких энергий». Журнал прикладной физики . Издательство AIP. 29 (8): 1150–1161. DOI : 10.1063 / 1.1723393 . ISSN 0021-8979 . 
  20. ^ С. Андерсон и Роджер М. Moseson, «Способ и устройство для чистки ионной бомбардировкой,» Патент США № 3233137 (поданной 28 августа 1961 года) (Feb.1, 1966)
  21. ^ "Мишени для распыления | Тонкие пленки" . Admat Inc . Проверено 28 августа 2018 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Руководство по испарению тонкой пленки
  • Что такое распыление? - введение с анимацией
  • Основы распыления - анимационный фильм о процессе распыления
  • Программа моделирования свободной молекулярной динамики (Kalypso), способная моделировать распыление
  • Краткие курсы Американского вакуумного общества по осаждению тонких пленок
  • Кауфман, Дж. Дж. Куомо и Дж. М. Э. Харпер (1982). «Технология и применение широколучевых источников ионов, используемых в напылении. Часть I. Технология источников ионов». Журнал вакуумной науки и техники . 21 (3): 725–736. Bibcode : 1982JVST ... 21..725K . DOI : 10.1116 / 1.571819 .(Оригинальная статья об источниках распыления Кауфмана.)
  • Re: Каскад смещения 1 . YouTube. 2008 г.