Пространственные распределения компонентов, распыленных из поликристаллических сплавов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Я«»10®

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи УДК 537.534

ТУБОЛЬЦЕВ Владимир Сергеевич

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ, РАСПЫЛЕННЫХ ИЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ.

(01.04.04 - физическая электроника, в том числе квантовая)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена на физическом факультете Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

B.C. Черныш.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.Н. Неволин.

кандидат физико-математических наук A.M. Борисов

Ведущая организация: Физико-технологический институт РАН

(г. Москва)

Защита состоится "•/'3 " ¿¿иЖе/г41995г. в часов на заседай Специализированного совета К.053.05.22 отделения Радиофизи физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Адрес: 1198(. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, ауд.-з

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическо факультета МГУ.

Автореферат разослан -исаА'?'*?- 1995г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук

В.А. Кубар

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важная роль, которую играет явление распыления в различных областях науки и техники обусловливает устойчивый рост внимания многочисленных исследователей к проблемам этого направления физики поверхности. Распыление широко используется как составная часть разнообразных технологических процессов в микроэлектронике. Знания о фундаментальных закономерностях, лежащих в основе этого явления, необходимы для решения проблем космического материаловедения, вопросов, связанных с выбором конструкционных материалов при создании различного рода плазменных устройств и приборов, консервации радиоактивных отходов. Повышенный интерес к проблемам физики распыления в настоящее время в немалой степени определяется все более широким применением методов элементного поверхностного анализа твердых тел и тонких пленок, основанных на регистрации распыленного вещества при ионной бомбардировке исследуемых образцов, например: масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ) или распыленных нейтралей (МСРН), которые обладают рекордной чувствительностью. Однако, недостаточное понимание фундаментальных процессов, которые развиваются на поверхности и в приповерхностной области многокомпонентных твердых тел при ионной бомбардировке, а также их влияния на формирование потока распыленного вещества, не позволяет в полном объеме использовать преимущества этих уникальных методов. Отсутствие на сегодняшний день удовлетворительной теории распыления многокомпонентных материалов препятствует созданию на основе МСВИ и МСРН количественных методов анализа, что является сильным сдерживающим фактором их более широкого применения.

Предлагаемые анагаггические модели распыления сплавов и изотопных систем пытаются объяснить разные аспекты этого явления и требуют надежной экспериментальной проверки. Наиболее полная информация о фундаментальных процессах, приводящих к эмиссии вторичных частиц при ионной бомбардировке многокомпонентных материалов, заключена в дифференциальных характеристиках: пространственных и энергетических распределениях распыленных частиц. Главной особенностью распыления мишеней сложного элементного состава является преимущественная эмиссия атомов одного из компонентов. Такая селективность приводит к нестехиометрическому распылению при малых дозах ионной бомбардировки, когда состав распыленного вещества не соответствует объемным концентрациям элементов сплава. Это в свою очередь, инициирует формирование приповерхностного слоя с измененным составом. С увеличением дозы облучения, в силу закона сохранения вещества мишени, устанавливается соответствие распыленного потока объемному составу. Однако, это не означает, что восстанавливается сгехномеггрическое распыление дифференциально по углу эмиссии. Таким образом, пространственная структура потоков распыленных атомов разных компонентов сплава и их угловые .распределения могут различаться. В опубликованной литературе представлена чрезвычайно ограниченная информация по экспериментальным исследованиям пространсгвеных распределении вторичных часпщ, распыленных из многокомпонентных материалов. В основном, в экспериментах используются бинарные сплавы. По многим принципиальным вопросам формирования пространственной структуры потоков вторичных частиц, влияния изменения состояния поверхности мишени под действием ионной бомбардировки на доминирующие закономерности эмиссии атомов разных компонентов нет даже качественного согласия. В немалой степени, это связано с

отсутствием надежных экспериментальных данных по многим критическим для апробации аналитических моделей вопросам. Все это определяет актуальность дальнейших исследований пространственных распределений вторичных частиц, распыленных из многокомпонентных мишеней, и их связи с состоянием облученной поверхности.

Целью работы являлось:

• исследование пространственных распределений вторичных частиц, распыленных из поликристаллических сплавов при бомбардировке ионами разного типа;

• изучение влияния ионного облучения на поверхностный состав многокомпонентной мишени;

• выяснение возможного влияния формирующегося вследствие ионной бомбардировки измененного поверхностного слоя на закономерности распыления разных компонентов сплава и их пространственную структуру распределения по углу эмиссии;

• экспериментачьная проверка современных аналитических моделей распылеши многокомпонентных твердых тел.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Дозовый характер формирования поверхностного измененного слоя при ионной бомбардировке бинарного поликристаллического сплава ИШ.

2. Эффект нестехиометрического распыления сплава ЫШ. Зависимость состава распыленного потока от направления эмиссии вторичных частиц.

3. Динамика преобразования пространственной структуры распределения состава распыленного потока в процессе перехода к состоянию стационарного распыления с увеличением дозы облучения и формированием равновесного измененного слоя бинарного сплава ИГЛ.

Влияние дозы ионной бомбардировки и изменения в поверхностном составе двойного сплава на форму угловых распределений и относительный выход распыленных компонентов.

4. Модель влияния поверхностных несимметричных столкновений эмитируемых вторичных частиц на формирование пространственной структуры распределения потоков распыленных компонентов при ионной бомбардировке двойного сплава.

5. Эффект нестехиометрического распыления по углу эмиссии трех-компонентного поликристаллического сплава №МоЯе. Явление пространственного перераспределения состава распыленного вещества и изменение формы угловых распределений эмитируемых компонентов в зависимости от типа бомбардирующих попов. Модель влияния обратнорассеянных в приповерхностном слое мишени бомбардирующих частиц на формирование пространственной структуры распыленного потока.

Научная новизна. В диссертации проведено комплексное исследование пространственных распределений распыленных элементов и влияния ионной бомбардировки на состав поверхности при распылении двух-и трехкомпоненгных материалов. Экспериментально изучены эффекты * нестехиометрического распыления бинарного и тройного поликристаллических сплавов. Дозовый характер формирования поверхностного слоя измененного состава позволил впервые изучить динамику изменения пространственного распределения состава распыленного потока в процессе переходного периода к состоянию стационарного распылення. Анализ полученных в работе данных позволил установить связь между составом распыляемой поверхности и угловыми распределениями компонентов сплавов. Впервые экспериментально обнаружен эффект пространственного перераспределения состава распыленного из полиатомной мишени вещества в зависи-

мости от типа бомбардирующих ионов. Изучено влияние различных механизмов на формирование угловых распределений распыленных компонентов и предложены модели для описания экспериментально наблюдаемых эффектов. Проведена проверка современных аналитических моделей распыления многокомпонентных материалов на основе результатов экспериментов.

Научная и практическая значимость работы определяется широким кругом проблем фундаментальных и прикладных аспектов физики распыления поверхности твердых тел, разрешению которых могут способствовать основные результаты диссертации. Полученные экспериментальные результаты могут бьггь использованы для проверки и разработки новых теоретических моделей распыления полиатомных мишеней. Впервые обнаруженная дозовая зависимость нестехиометричности распыления поликристаллических сплавов проясняет влияние возникающего измененного поверхностного слоя на закономерности эмиссии атомов и роль доминирующих механизмов в формировании пространственной структуры распыленного потока. Впервые отмеченный сильный массовый эффект при распылении полиатомной мишени, выражающийся в изменешш формы угловых распределений распыленных компонентов и смене преимущественно эмитируемого по нормали к поверхности элемента сплава при бомбардировке ионами разного типа, возможно объясняет многообразие противоречивых экспериментальных результатов разных авторов, работающих с одинаковыми типами сплавов. Результаты изучения зависимости стехиометрии распыленного потока от угла эмиссии, дозы облучения, типа бомбардирующих ионов и состава мишени необходимы для разработки количественных методов анализа и создания аппаратуры для диагностики и модификации поверхности, а также имеют принципиальное значение для совершенствования

технологии процесса напыления пленок, где распыление используется как инструмент для получения осаждаемого материала заданного состава.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации докладывались на научном семинаре "Твердотельная электроника" кафедры физической электроники, на XI Конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Москва, 1993г. и на 24 Межнациональном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1994г.

Объем и структура работы:

Дпссертацш состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 108 наименований. Содержание работы изложено на 159 страницах машинописного текста, иллюстрируется 51 рисунком и 6 таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследований, дано краткое изложение основных результатов работы, полученных при решении поставленных задач, а также представлены положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе диссертации рассматриваются немногочисленные опубликованные экспериментальные и теоретические работы, в которых изучались пространственные распределения распыленных компонентов при ионной бомбардировке поликристаллических сплавов и систем изотопов. На основе результатов экспериментов, подробно анализируются пределы применимости наиболее распространенной аналитической модели в рамках, линейной каскадной

теории, которая определяет доминирующее влияние градиента поверхностных концентраций компонентов на характер нестехиометри-ческого распыления сплавов по углу эмиссии. Вместе с этим, рассматривается возможное влияние на формирование пространственной структуры распыленного вещества анизотропного распределения .атомов отдачи в каскаде столкновений, инициируемых бомбардирующими ионами в приповерхностной области мишени, а также топографических неоднородностей, возникающих на поверхности при больших дозах ионного облучения.

Вторая глава содержит описание экспериментов по распылению поликристаллического сплава NiTi эквиатомного состава. В начале главы формулируется постановка задачи исследовании и аргументируется выбор типа элементов, составляющих сплав.

Далее приводится подробное описание использованной в работе экспериментальной установки и применения методов обратного резерфордовского рассеяния (ОРР) и электронной оже-спектроскопии (ЭОС) для изучения пространственных распределений распыленных компонентов и исследования влияния ионного облучения на состав поверхности сплава. Рентгеноструктурный анализ показал, что используемый в качестве мишени сплав NiTi представляет собой поликристалл с хаотической ориентацией зерен, без явно выраженной текстуры. Экспериментальньш образец облучался ионами Не+ и Аг+ (9кэВ) с разными дозами. Пучок ионов падал по нормали к поверхности мишени. Эксперименты проводились в вакууме ~10-9торр Для контроля рельефа поверхности образца, возникающего после ионной бомбардировки, использовался растровый электронный микроскоп. Распыленное вещество осаждалось на полуцилйндричес-кпй алюминиевый коллектор. Анализ напыленного на коллектор материала мишени проводился с использованием методики ОРР, что

позволило получить количественную информацию не только о зависимости относительного выхода распыленных компонентов от угла эмиссии но и об угловых распределениях каждого элемента образца.

Поскольку для правильной интерпретации экспериментальных результатов по распылению многокомпонентных материалов необходимы данные о составе поверхности облучаемой мишени, предварительно проводилось изучение методами ОРР и ЭОС поверхностного измененного слоя, возникающего вследствие ионной бомбардировки. Малые коэффициенты распыления ионами Не+ и большие глубины проникновення в мишень, позволили проследить динамику изменения поверхностного состава. Эксперименты показали, что с увеличением дозы облучения Не+ постепенно повышается степень обогащения поверхности сплава N1 за счет преимущественного распыления "П и при дозе ~1020 ион/см2 достигается поверхностный состав, соответствующий №;П, который при дальнейшей бомбардировке не изменяется. Формируется равновесный измененный слой, толщина которого определяется глубиной проникновения первичных ионов. Методом ОРР были получены профили концентраций компонентов сплава ЫШ в сформировавшемся слое с учетом имплантации Не. При бомбардировке Аг+ поверхность также обогащалась N1 и достигался равновесный поверхностный состав N12X1, но при значительно меньших дозах, что объясняется большим коэффициентом распыления и малыми глубинам! проникновения первичных ионов.

Экспериментальное изучение пространственных распределений компонентов, распыленных из бинарного сплава ЫШ ионами Не+ и Аг+ показало, что наблюдается нестехиометричное распыление сплава по углу эмиссии вторичных частиц. Угловые распределения распыленных атомов N1 и И различаются. При малых полярных углах

вылета относительно нормали к поверхности преимущественно эмитируется N1, более тяжелый компонент сплава. Форма угловых распределений для № является надкосинусной, что отражает доминирующий вклад атомов N1 в распыление под малыми углами эмиссии. В противоположность наиболее распространенной модели распыления бинарных мишеней, по нормали к поверхности образца преимущественно распылялся компонент сплава с большей поверхностной концентрацией. В процессе переходного периода к состоянию стационарного распыления с увеличением дозы облучения, характер нестехиометричности распыления по углу эмиссии не изменялся, но интегрально по углу эмиссии селективно распылялся "Л - более легкий компонент сплава. Образование измененного слоя с постепенным увеличением поверхностной концентрации N1 определяло величину относительного выхода распыленных компонентов сплава и не влияло на форму их угловых распределений. С формированием равновесного измененного поверхностного слоя, восстанавливалась стехиометич-ность распыления, интегрально по углу эмиссии, объемному составу сплава. Однако, для распыленного потока, дифференциального по углу выхода, нестехнометричность распыления сохранялась. Как в процессе переходного периода к равновесному состоянию, так и в условиях стационарного распыления относительный выход компонентов сплава ЫШ, а также изменение стехиометрии распыления по углу эмиссии не зависили от типа бомбардирующих ионов.

Далее в работе приводится сравнительный анализ выводов основных современных моделей распыления двухкомпонентных твердых тел и результатов, полученных в экспериментах с >1Ш. Показаны причины, которые не позволяют в рамках указанных аналитических подходов объяснить экспериментально полученные пространственные распределения распыленных №иТь Вместе с тем,

предложена модель, согласно которой различия в угловых спекрах распыленных компонентов N1X1 определяются влиянием процессов рассеяния эмитируемых частиц в несимметричных поверхностных столкновениях на формирование пространственной структуры распределения распыленного потока.

В третьей главе изложены результаты экспериментов по распылению трехкомпонентного поликристаллического сплава №МоПе.

Для этого была использована методика исследований, подробно описанная во второй главе. Образец облучался пучком ионов Не+, Ие+ и Аг+ (4кэВ), падающим по нормали к поверхности мишени.

Измерения угловых распределений распыленных атомов Мо -и Яе, а также их относительного выхода показали, что состав .потока распыленного вещества существенно зависит от угла эмиссии вторичных частиц. Кроме этого, было обнаружено, что характер нестехио-метрнчности распыления по углу эмиссии очень сильно зависит от типа бомбардирующих ионов. Так, если в случае первичных ионов Аг+, в направлениях вблизи нормали к поверхности наблюдалось преимущественное распыление более тяжелых компонентов сплава, то с уменьшением массы бомбардирующих ионов при переходе к Ые+ эффект зависимости состава распыленного вещества от угла вылета вторичных частиц исчезал. При бомбардировке Не+ характер нестехиометричности относительного выхода распыленных компонентов изменялся на противоположный случаю с Аг+: атомы N1 -наиболее легкого элемента сплава №Мо11е преимущественно эмитировались вдоль нормали к поверхности; Такое пространственное перераспределение состава распыленного вещества происходило на фоне сохранения соответствия стехиометрии интегрального распыленного потока объемному составу образца. Измерения методом ОРР ■ поверхностных концентраций компонентов сплава после облучения

Не+ и А г4 показали, что обнаруженный эффект не может быть связан с составом измененного поверхностного слоя, формирующегося при бомбардировке ионами разного типа.

Для объяснения экспериментально наблюдаемого эффекта предложена модель, которая определяет увеличение роли обратнорас-сеянных в -приповерхностном слое мишени бомбардирующих частиц в формировании пространственной структуры распыленного потока при переходе к более легким первичным ионам.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально изучены пространственные распределения распыленных компонентов при ионной бомбардировке поликристаллических сплавов №Т1 и №Мо11е.

2. Изучен дозовый характер формирования измененного поверхностного слоя бинарного сплава под действием ионной бомбардировки.

3. Экспериментально изучены эффекты нестехиометрического распыления бинарного поликристаллического сплава. Установлено, что состав распьиенного потока существенно зависит от направления эмиссии вторичных частиц: по нормали к поверхности преимущественно распыляется тяжелый компонент сплава, которым обогащается поверхностный слой мишени вследствие селективного распыления более легкого элемента.

4. Впервые экспериментально изучена динамика изменения пространственной структуры распределения и состава распыленного потока в процессе формирования измененного поверхностного слоя с увеличением дозы ионной бомбардировки бинарного сплава.

Показано, что отмеченная в п.З неетехиометричность распыления в зависимости от угла эмиссии сохраняется с увеличением дозы облучения и формированием равновесного измененного поверхностного слоя. В процессе переходного периода к состоянию равновесного распыления, характер угловой зависимости нестехио-метричности распыления не изменяется. Образование измененного слоя с повышенной поверхностной концентрацией менее распыляемого элемента сплава определяет величину относительного выхода распыленных компонентов и не влияет на форму их угловых распределений. Несмотря на сохранение нестехиометричности распыления дифференциально по углу эмиссии, с формированием равновесного измененного слоя восстанавливается соответствие состава интегрального распыленного потока объемным концентрациям компонентов сплава.

5. Для объяснения экспериментально наблюдаемых пространственных распределений распыленных компонентов бинарного сплава предложена модель, определяющая доминирующую роль влияния процессов рассеяния эмитируемых частиц на формирование пространственной структуры распыленного потока. Проведена проверка современных моделей распыления многокомпонентных твердых тел на основе результатов экспериментов.

6.Экспериментально изучена угловая зависимость относительного выхода распыленных компонентов при ионной бомбардировке тройного поликрисгаллнческого сплава. Показано, что компоненты сплава дифференциально по углу эмисаш распыляются нестехио-мегрично объемному составу мишени. Впервые экспериментально обнаружен эффект сильной зависимости характера нестехио-метрнчности распыления по углу эмиссии от типа бомбардирующих ионов: переход к более легким ионам сопровождается простран-

ответным перераспределением состава распыленного вещества и изменением типа преимущественно распыляемого по нормали к поверхности компонента сплава. Предложена модель для объяснения экспериментально наблюдаемого эффекта.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

печатных работах:

1.Сабуров А.Е., Сахаров Р.А., Тубольцев B.C., Черныш B.C. Пространственные распределения атомов, распыленных из сплава NiMoRe. В сб. Материалы XI Конференции по взаимодействию ионов с поверхностью. Москва, 1993г., т.1, стр.144-146.

2.Миннебаев К.Ф., Сабуров А.Е., Тубольцев B.C., Черныш B.C. Пространственные распределена атомов, распыленных из поликристалла NiTi. В сб. Материалы XI Конференции по взаимодействию ионов с поверхностью. Москва, 1993г., т.1, стр.147-148.

З.Черныш B.C., Тубольцев B.C., Куликаускас B.C. Пространственные распределения атомов, распыленных из сплава NiTi. Поверхность: физ.,хим.,мех., 1995г., №2, стр.89-95.