Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Иешкин Алексей Евгеньевич

Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 АПР 2015

005567726

Москва —2015

005567726

Работа выполнена на кафедре физической электроники Физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Черныш Владимир Савельевич

Официальные оппоненты:

Быков Виктор Александрович,

доктор технических наук, профессор, ген. директор ЗАО «ИТ МДТ», Зеленоград.

Афанасьев Виктор Петрович,

доктор физико-математических наук, профессор, профессор каф. ОФиЯС, МЭИ, Москва.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Защита состоится «04» июня 2015 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 на базе Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр.2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/

Автореферат разослан «2» апреля 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,

к.ф.-м.н.

И.Н.Карташов

Общая характеристика работы.

Актуальность исследовании.

Интерес к процессам, определяющим взаимодействие ускоренных ионов с поверхностью твердого тела, обусловлен огромной ролью, которую пучки заряженных частиц играют в современных фундаментальных исследованиях и практических приложениях. В последние десятилетия особенно активно в этой области развивается направление, связанное с изучением кластерных ионов.

Кластер — это совокупность атомарных или молекулярных частиц, от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. В случае газовых кластеров (Агы, (К2)м, (С02)ы и т.д.) частицы удерживаться вместе Ван-дер-Ваальсовскими силами, энергия которых составляет порядка 10 мэВ. Эта величина гораздо меньше энергии связи атомов в кристаллах, что во многом определяет механизмы процессов при столкновении кластерного иона с поверхностью. Понятно, что взаимодействие ионизированного кластера с твердым телом коренным образом отличается от взаимодействия атомного иона при тех же условиях.

Прежде всего, при ударе кластера о поверхность одновременно взаимодействует большое количество атомов. Это делает неприменимой теорию парных столкновений Зигмунда, описывающую взаимодействие в случае атомарного иона. На каждый из атомов ускоренного кластера приходится небольшая доля всей его энергии. Однако поскольку кластер, в отличие от мономера, не проникает вглубь кристалла, вся эта энергия выделяется локально в небольшом приповерхностном слое. Таким образом, при облучении поверхности кластерными ионами можно ожидать эффекты, не проявляющиеся в случае атомарных ионов.

Пучки заряженных кластеров уже нашли практическое применение для модификации свойств поверхности и её анализа. Так, они используются для прецизионной бездефектной полировки и травления подложек. При этом, как считается, ключевую роль играет характерное для кластерных ионов угловое распределение распыленного вещества. Поскольку энергия ускоренного кластера

выделяется в небольшой области на поверхности, кластеры применяются для повышения эффективности химических реакций. Кластерные ионы используются для имплантации вещества на малую глубину, для осаждения высококачественных тонких пленок. Использование пучка кластерных ионов в качестве зонда повышает точность и чувствительность исследования состава вещества на основе методики вторичной ионной масс-спектрометрии.

Однако процессы взаимодействия ускоренных кластеров с твердыми телами остаются малоизученными. В частности, отсутствуют систематические эксперименты по исследованию угловых распределений распыленного вещества. Неизвестны особенности взаимодействия с многокомпонентными мишенями -угловые распределения распыленных элементов, закономерности сегрегации,

селективного распыления.

Понятно, что для изучения этих процессов необходимо обладать инструментом, позволяющим получать пучки кластерных ионов с заданными свойствами. Поэтому целью данной работы являлось получение пучков заряженных газовых кластерных ионов и изучение закономерностей их взаимодействия с одно- и многокомпонентными мишенями.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие

задачи:

• Получение ускоренных газовых кластерных ионов в режиме импульсной подачи рабочего газа.

• Разработка методики визуализации сверхзвуковых газовых струй в условиях ускорителя газовых кластеров. Исследование свойств потока газа, истекающего из сверхзвукового сопла, и оптимизация системы формирования кластеров.

• Разработка систем анализа кластерных ионов и исследование особенностей импульсных пучков кластерных ионов различных газов.

• Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия ускоренных газовых кластерных ионов с одно- и многокомпонентными

мишенями. Разработка подходов к описанию полученных закономерностей.

Научная новизна.

• Получены новые экспериментальные данные о структуре сверхзвуковой струи в условиях формирования кластеров.

• Изучены и объяснены закономерности формирования кластеров различных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа, показана роль буферного объема между импульсным клапаном и критическим сечением сопла.

• Впервые получены угловые распределения распыленного кластерными ионами вещества, отличные от латеральных. Для их объяснения предложена модель, учитывающая упругие свойства мишени.

• Впервые получены угловые распределения распыленного вещества в случае распыления многокомпонентных мишеней кластерными ионами. Показана нестехиометричность распыленного под различными углами вылета вещества. Обнаружено, что элементы мишени, имеющие наибольшую атомную массу, эмитируются под большими углами.

Научная и практическая ценность.

• Разработанная методика визуализации сверхзвуковой струи в условиях формирования кластеров позволяет проводить оптимизацию источников кластерных ионов.

• Данные, полученные на основе разработанной методики, вносят вклад в понимание влияния формы сопла и конденсации газа на структуру сверхзвуковой газовой струи.

• Обнаружены и объяснены особенности формирования кластеров различных газов в режиме импульсной подачи рабочего газа.

• Данные об угловых распределениях, полученные в работе, и предложенный механизм распыления важны для создания теории распыления кластерными ионами.

• Получены данные, показывающие перспективность планаризации кластерными ионами поверхности материалов с точностью, необходимой для создания современных устройств электроники, спинтроники, оптики и т.д.

Достоверность результатов обеспечивается их многократной проверкой с использованием современной аппаратуры, а также совпадением с имеющимися в литературе данными в случаях, если такое совпадение возможно.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

• XVII Международная конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям (Обнинск, 2008).

• Международная Конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, ФВЗЧК (Москва, 2011, 2012, 2013, 2014).

• Научно-практическая конференция "Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ" (Москва, 2011).

• 25th International Conference on Atomic Collisions in Solids, ICACS-25 (Kyoto, Japan, 2012).

• XXI международная конференция "Взаимодействие ионов с

поверхностью ВИП- 2013" (Звенигород, 2013).

• 26th International Conference on Atomic Collisions in Solids, ICACS-25 (Debrecen, Hungary, 2014).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК [А1-А4], а также в материалах и сборниках тезисов международных конференций [А5-А15].

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Работа содержит 124 страницы печатного текста, 63 рисунка, 7 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

Личный вклад автора.

При участии авторы были разработаны и созданы системы анализа пучка кластерных ионов, исследованы закономерности импульсного режима работы ускорителя газовых кластерных ионов, в том числе, массового состава кластерного пучка. Автором самостоятельно исследованы и объяснены закономерности формирования кластеров в режиме импульсной подачи газа в зависимости от вида рабочего газа. Разработана система визуализации сверхзвуковой струи и проведены исследования истечения различных газов из сверхзвуковых сопел. Проведены эксперименты по распылению кластерными ионами и исследование приготовленных коллекторов с помощью методики обратного резерфордовского рассеяния, а также анализ полученных экспериментальных данных.

Содержание диссертации.

Во введении дано обоснование актуальности темы представленной работы, сформулированы цели исследования, показана новизна и значимость работы, изложены выносимые на защиту положения, а также приведены сведения об апробации работы.

В главе 1 дается обзор экспериментальных и теоретических работ по проблемам получения пучков заряженных кластеров и исследованию их взаимодействия с поверхностью твердых тел.

В обзоре рассмотрена динамика истечения газа из сверхзвукового сопла и показано, что в таком потоке возможно формирование кластеров. Приведены данные по экспериментальным исследованиям сверхзвуковых струй. Описано принципиальное устройство ускорителей газовых кластерных ионов и их узлов и рассмотрены основные закономерности формирования пучков кластерных ионов в таких ускорителях.

Далее приведены основные характеристики, используемые при описании процессов взаимодействия ускоренных ионов с поверхностью. Описаны закономерности взаимодействия атомарных ионов с поверхностью однокомпонентных и многокомпонентных материалов. Приведены известные на сегодняшний день данные по физике такого взаимодействия в случае кластерных ионов. Показано, что характеристики распыления и формирования рельефа при облучении подложек кластерными ионами существенно отличаются от аналогичных характеристик для облучения атомарными ионами. Вместе с тем, отмечается отсутствие систематических исследований процессов, происходящих при взаимодействии ускоренного кластера с поверхностью.

В главе 2 описан ускоритель газовых кластерных ионов, созданный при участии автора работы. Рассмотрены основные узлы и системы ускорителя, а также особенности его работы в режиме импульсной подачи различных рабочих газов.

Ускоритель состоит из вакуумной части и приборной стойки, рис.1. Вакуумная часть состоит из трех систем: это система формирования кластеров на основе сверхзвукового сопла, система ионизации и ускорения, система анализа и взаимодействия с образцом. Каждая из систем расположена в отдельной камере. Камеры соединены диафрагмами и откачиваются независимо, что позволяет поддерживать в них необходимые режимы давлений. Для уменьшения газовой нагрузки на откачную систему камеры формирования

8

кластеров рабочий газ подается в сопло в импульсн01м режиме с помощью импульсного клапана. Кластеры извлекаются из ядра струи с помощью скиммера.

Анализ кластерных ионов, полученных после ионизации и ускорения сформированных кластеров, производился двумя методами: с помощью постоянного магнита и с помощью времяпролетной системы анализа.

Действие магнитной системы анализа основано на зависимости отклонения частицы при прохождении области постоянного магнитного поля от массы этой частицы. Таким образом, тяжелые кластеры проходят через область поля практически без отклонения и попадают на цилиндр Фарадея, в то время как атомарные ионы и легкие кластеры отклоняются от цилиндра Фарадея и не попадают не него. Ток с Цилиндра Фарадея наблюдался с помощью осциллографа. По известным значениям индукции магнитного поля и энергии ионов было рассчитано, что в пучке частиц присутствуют кластеры с размерами не менее 500 атомов на элементарный заряд при использовании аргона в качестве рабочего газа.

тип

Рис. 1. Общий вид и принципиальная схема ускорителя газовых кластерных ионов. (1) камера формирования кластеров; (2) сопло с импульсным клапаном; (3) камера ионизации и ускорения; (4) ионизатор; (5) рабочая камера; (б) мишень; (А1) диафрагма со скиммером, (А2) диафрагма; (ВР1 - ВРЗ) форвакуумные насосы; (ТМР1, ТМР2) турбомолекулярные насосы; (ОР) диффузионный насос; (VI - У4) клапаны; (001) манометр; (Р1 - РЗ) вакуумные датчики.

Второй цилиндр Фарадея устанавливался в стороне от оси системы. Значение магнитного поля выбиралось таким образом, чтобы мономеры попадали в этот цилиндр. На рис. 2 представлены осциллограммы тока на каждый из цилиндров в присутствии магнитного поля и без него. Видно, что сигнал состоит из разнесенных во времени кластерной и мономерной составляющих. Аналогичные эксперименты проведены с ксеноном, азотом и неоном в качестве рабочих газов. Для ксенона и аргона существование кластеров наиболее выражено, в случае азота кластеры составляют небольшую долю тока мономеров, а кластеры неона в пучке не обнаружены. Такая зависимость хорошо согласуется с оценкой размера кластеров по параметру Хагены.

Рис. 2. Осциллограммы тока при использовании Аг в качестве рабочего газа. Слева - в отсутствие магнитного поля, справа - магнитное поле соответствует попаданию мономеров на второй цилиндр Фарадея. Сплошная линия - ток на оси, пунктирная - ток на втором цилиндре Фарадея. Отмечена продолжительность открытого состояния импульсного клапана.

Продолжительность кластерного импульса значительно превосходит продолжительность открытого состояния импульсного клапана. Это объясняется существованием буферного объема между клапаном и соплом. В соответствии с разработанной ранее моделью, продолжительность кластерного импульса зависит от давления в этом объеме и определяется видом рабочего

10

газа и расстоянием между соплом и скиммером. Экспериментально полученная зависимость продолжительности импульса кластеров аргона и ксенона, подтверждающая эту модель, показана на рис. 3.

Для более детального изучения распределения кластеров по массам была использована времяпролетная методика. Обнаружено, что в пучке кластеров аргона и ксенона присутствуют частицы с размерами до 5000 атомов на элементарный заряд, причем максимум распределения расположен около значения 1000 атомов на элементарный заряд.

Рис. 3. Продолжительность кластерного импульса для ксенона и аргона в зависимости от давления рабочего газа при различных расстояниях между срезом сопла и скиммером.

Глава 3 посвящена описанию разработанной автором системы визуализации потока из сверхзвукового сопла с помощью газового разряда, а также обсуждению полученных с помощью этой системы результатов.

В экспериментах использовалось две конфигурации электродов, между которыми зажигался тлеющий разряд. В первом случае кольцо из вольфрамовой проволоки закреплялось соосно соплу. На кольцо подавалось постоянное напряжение; в качестве второго электрода выступало сопло,

находящееся под потенциалом земли, так же как и стенки камеры. Во втором случае вдоль струи, симметрично относительно оси сопла, закреплялись два медных прямоугольных электрода. На один из них подавалось постоянное напряжение, второй электрод, сопло и стенки камеры находились под потенциалом земли. Положение сопла относительно электродов выбиралось продольным перемещением держателя сопла.

Обнаружено, что в определенных режимах тока и напряжения разряда хорошо различима структура сверхзвуковой струи, в частности, положение ударных волн, ограничивающих бочку Маха, рис. 4. При этом структура разряда соответствует структуре струи и не зависит от разрядного тока и напряжения и положения сопла относительно плоских электродов. Экспериментально полученные изображения структуры струи хорошо согласуются с численными расчетами, выполненными И.Э. Ивановым.

Была исследована геометрическая структура потоков Хе, Аг, N2 и N6 в зависимости от соотношения давлений на входе в сопло и в камере формирования кластеров. Показано, что для оценки продольного размера бочки Маха в условиях ускорителя кластерных ионов может быть использована эмпирическая формула, полученная для случая недорасширенной струи из сужающегося сопла:

где хм - продольный размер бочки Маха, d — диаметр критического сечения сопла, ро и р<а - давления на входе в сопло и в пространстве после сопла, соответственно. Кроме того, подтверждено увеличение поперечного размера бочки Маха при наличии конденсации в ядре струи.

(1)

Рис. 4. Визуализация потока газа из сопла с помощью разряда между плоскими электродами.

Разработанная система визуализации газового потока позволила оптимизировать параметра системы формирования кластеров и увеличить ток кластерных ионов до значения 2 мкА в импульсе.

Глава 4 посвящена угловым распределениям вещества, распыленного из одно- и многокомпонентных мишеней кластерными ионами. Как показано в обзоре литературы, угловые распределения при распылении кластерными ионами известны только в случае распыления меди и золота. На основе этих результатов сформировалось мнение, что для распыления кластерными ионами характерна исключительно латеральная форма угловых распределений, соответствующая эмиссии вещества под большими углами от нормали. В диссертационной работе продемонстрировано, что вид углового распределения зависит от механических свойств мишени, в частности, ее модуля упругости.

В экспериментах была использована коллекторная методика. Около мишени располагался полуцилиндрический коллектор из алюминиевой фольги. Мишени облучались кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ. Кластеры с размерами менее 80 атомов отводились от мишени магнитным полем. Эмитированное под действием кластерной бомбардировки вещество, напыленное на коллектор, анализировалось с помощь резерфордовского обратного рассеяния (POP). Рельеф поверхности до облучения и после него контролировался атомно-силовым микроскопом (АСМ). Экспериментально

полученные угловые распределения распыленных поликристаллов меди, молибдена и индия показаны на рис.5. Некоторые свойства металлов, использованных в экспериментах, приведены в табл. 1.

§ Угол эмиссии в (градусы)

(а)

Рис. 5. Угловые распределения распыленного вещества меди (а), молибдена (б) и индия (в). Графики нормированы на максимум латеральной составляющей.

Угловое распределение меди оказалось латеральным и совпало с данными литературы. При облучении молибдена значительная часть эмитированных атомов была направлена вдоль нормали от поверхности. С увеличением угла вылета от нормали наблюдалось немонотонное уменьшение коэффициента распыления. Для описания зависимости коэффициента распыления от угла выхода были использованы следующие аппроксимации:

r(0) = rocos"(0-S„„) (2)

для описания латеральной составляющей и

Га(0) = 1;осов-0 (3)

для описания малоугловои составляющей выхода. При этом оощии выход распыленного вещества описывается суммой этих двух составляющих. Формула (2) ранее использовалась для описания угловых распределений, получаемых при наклонном падении распыляющих атомарных ионов.

Вещество Модуль упругости (10п Н/м2) Атомная масса (а.е.м.) Энергия связи (эВ)

Си 1,37 64 3,49

Мо 2,725 96 6,82

1п 0,411 115 2,6

са 1,16 112 1,16

3,23 184 8,66

N1 1,86 59 4,44

ра 1,81 106 3,89

Яе 3,23 186 8,03

Таблица. 1. Некоторые характеристики использованных в экспериментах материалов.

При распылении индия угловое распределение оказалось латеральным, так же как и для меди. Следовательно, тип углового распределения определяется не атомной массой распыляемого вещества.

Для объяснения экспериментальных данных был предложен следующий механизм распыления кластерными ионами. На ранней стадии столкновения ближайшие к поверхности мишени атомы кластера замедляются, взаимодействуя с атомами мишени. В то же время, на них действуют атомы следующих слоев кластера. В результате, кластер оказывает на поверхность давление в направлении своего движения.

На следующей стадии взаимодействия слабосвязанный кластер разрушается (атомизируется), переставая оказывать давление на мишень. При этом атомы мишени в области столкновения обладают значительной энергией, недостаточной, однако, чтобы покинуть тело. Начинается релаксация сжатия

мишени. Возникающая сила направлена от поверхности и пропорциональна модулю упругости кристалла. Величины этой силы достаточно для того, чтобы сообщить атомам мишени энергию, необходимую для их эмиссии.

Значение модуля упругости для молибдена превосходит значение для других материалов. Поэтому в случае молибдена вклад потока, направленного вдоль нормали от поверхности, в общий поток распыленных частиц, наиболее ярко выражен. Предложенная модель подтвердилась в экспериментах по распылению кадмия (латеральное угловое распределение) и вольфрама (значительный выход вдоль нормали).

При распылении многокомпонентных мишеней, представляющих собой сплавы ММоЯе (86:10,5:13,5) и №Рс1 (1:1), угловые зависимости распыленного вещества также представляли собой сумму латеральной составляющей и выхода вдоль нормали. Относительный выход компонентов №Рс1 показан на рис. 6, а. Как видно из рисунка, никель распыляется преимущественно под малыми углами эмиссии, а палладий - под большими углами эмиссии. Данная зависимость близка к аналогичной зависимости, полученной в случае распыления сплава №Рс1 при бомбардировке атомными ионами Аг+, хотя в случае распыления кластерными ионами эта зависимость более выражена.

л о ^N11 кластеры

Рис. 6. Зависимость относительного выхода компонентов, распыленных из сплавов >№<1 (а) и >ЛМоК.е (б) кластерными ионами от угла эмиссии. Также приведены аналогичные зависимости для распыления мономерами.

При распылении М[Мо11е, как показано на рис. 6, б, никель также преимущественно распыляется под малыми углами от нормали, в то время как более тяжелые компоненты (молибден и рений) распыляются под большими углами эмиссии. Нужно отметить, что распыление того же сплава атомарными ионами Аг+ дало противоположную зависимость относительного выхода распыленных частиц.

Известно, что при бомбардировке атомарными ионами угловая зависимость определяется соотношением между поверхностными энергиями связи компонентов мишени. Элементы сплава с меньшей энергией связи сегрегируют на поверхность и распыляются преимущественно вдоль нормали к поверхности. В случае бомбардировки кластерными ионами эксперименты показали, что вблизи нормали распыляются легкие элементы независимо от соотношения энергии связи. Аналогичная ситуация наблюдалась при распылении сплавов низкоэнергетичными ионами. Для объяснения данной ситуации требуются дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

В главе 5 описано изменение рельефа мишени под действием облучения кластерными ионами. Как известно, в отличие от облучения атомарными ионами, при этом происходит сглаживание поверхности. Однако систематические исследования данного эффекта отсутствуют.

В качестве исследуемых материалов были выбраны поликристаллические металлы простого состава (Си, и сложного состава (№МоРе, №Рс1), полупроводники (Б^ ве), диэлектрики (алмаз, ситалл), а также элементы структуры микросхемы. Такой выбор позволяет оценить влияние на процесс сглаживания электрических свойств мишени, ее состава, твердости, а также имеющегося упорядоченного рельефа в случае облучения элементов микросхемы. Облучение проводилось кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ и дозами от 3-Ю16 до 51017 см"2. Рельеф поверхности контролировался с помощью атомно-силового микроскопа.

В случае металлических мишеней до обработки кластерами хорошо заметны царапины шириной около 100 нм и глубиной 10-20 нм. После облучения кластерами царапины исчезли, сформированный рельеф однородный, значение среднего квадрата шероховатости RMS уменьшилось от 6,78 нм до 0,86 нм, рис. 7.

Рис. 7. АСМ-изображеиия поверхности меди до и после облучения кластерными ионами.

Аналогичные изменения наблюдались для всех изученных металлов и сплавов. При меньшей энергии связи атомов вещества сглаживание его поверхности кластерами с энергией 10 кэВ при одинаковой дозе облучения было более ярко выраженным. Поэтому для наиболее эффективной шлифовки данного вещества необходим индивидуальный выбор энергии и дозы облучения, а также размеров и состава кластерных ионов.

При облучении кремния с низким качеством шлифовки отмечено удаление острых выступов даже относительно небольшой дозой кластерных ионов, а в случае германия удалось полностью удалить остаточный рельеф.

Кроме металлов и полупроводников, изначально не имеющих на поверхности упорядоченной структуры, бомбардировке кластерными ионами была подвергнута часть микросхемы. На ее поверхности существовал набор выступов высотой 40 нм и шириной около 1 мкм. После облучения кластерами с дозой 2,5-1016 см"2 выступы «размылись», их высота уменьшилась до 20 нм.

Анализ данных распределения высоты поверхности на АСМ изображениях до и после облучения показал, что при облучении произошло как сглаживание поверхности вокруг выступов, так и уменьшение высоты выступов.

При облучении диэлектриков вблизи мишени располагался катод из вольфрамовой проволоки для устранения зарядки поверхности под действием пучка ионов. Эмитируемые катодом электроны компенсировали заряд пучка. Температура мишени контролировалась полупроводниковым термодатчиком и не превышала комнатную более чем на 10°С.

Первоначально облучению подвергался нешлифованный природный алмаз. Бомбардировка кластерными ионами позволила удалить загрязнения на его поверхности. Кроме того, в облученной области видны ямки травления, отсутствующие в необлученной области. Как известно, появление ямок травления определяется кристаллической структурой поверхности вещества. Таким образом, можно предположить, что при облучении кластерными ионами в данных условиях поверхности алмаза не аморфизируется. При облучении шлифованного алмаза отмечено удаление оставшихся после шлифовки царапин.

Вторым диэлектриком, подвергнутым бомбардировке кластерными ионами, является ситалл. Ситаллы представляют собой стеклокристаллический материал, состоящий из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Они характеризуются высокой твердостью и жаропрочностью. Ситаллы используются, в том числе, для изготовления отражателей в резонаторах лазерных гироскопов. Даже небольшие неровности в виде царапин, оставшиеся на его поверхности после полировки, приводят к рассеянию излучения и снижению эффективности работы системы.

Всего исследовались три образца ситалла, которые облучались различными дозами кластерных ионов аргона с энергией 10 кэВ. Рельеф образцов до обработки представлял собой совокупность царапин, оставшихся после химико-механической полировки, и хаотических выступов, являющихся кристаллитами,

19

выходящими на поверхность. Применяя преобразование Радона, можно выделить эти составляющие. Линейно-структурированные дефекты до и после облучения, выделенные таким образом, показаны на рис. 8. Можно отметить значительное уменьшение их амплитуды.

Рис. 8. Выделенные из АСМ изображения линейно-структурированные дефекты на поверхности ситалла до и после обработки кластерными ионами.

Параметры рельефа до и после облучения, а также условия облучения, показаны в таблице 2. Во всех случаях произошло уменьшение как хаотического рельефа, так и линейно-структурированных дефектов. Точно установить влияние дозы облучения на изменение рельефа затруднительно, поскольку исходные значений неровностей образцов отличаются.

Доза облучения Остаточный рельеф Остаточный хаотический рельеф Линейно структурированные дефекты

Д 10'" см"2 tfxp+лсд, нм ffxp, нм С7лсд, нм

до облучения 5 0.84 0,70 0.47

после облучения 0.45 0.31 0.32

до облучения 2 1,16 1,05 0,50

после облучения 0.50 0,36 0,36

до облучения 10 1,09 0,97 0,51

после облучения 0,67 0,45 0,49

Табл. 2. Параметры рельефа ситалла до и после облучения, а также условия облучения.

20

Кроме того, атомно-силовые изображения подвергались преобразованию Фурье. Представляет интерес диапазон пространственных частот 0,1 - 10 мкм, соответствующий особенностям рельефа данных образцов. Рассчитанная спектральная плотность в указанном диапазоне показана на рис. 9. Во всех трех случаях эта величина уменьшилась в 5 - 10 раз на всех частотах диапазона. Таким образом, кластерные ионы могут применяться для сглаживания поверхности ситалла с точностью, превосходящей возможности использующейся в производстве химико-механической полировки.

Рис. 9. Спектральные плотности неровностей рельефа образцов ситалла до и после облучения.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

• Получены зависимости длительности кластерного импульса от давления рабочего газа для различных газов (N2, Аг, Хе). Показано, что длительность кластерного импульса до 10 раз превосходит продолжительность подачи рабочего газа, при этом для более тяжелых газов длительность выше, чем для легких.

• Разработана методика визуализации потока газа в условиях формирования газовых кластеров с использованием газового разряда, позволяющая оптимизировать систему формирования кластеров.

• Получены пучки кластерных ионов с током кластеров до 2 мкА и энергией 1-10 кэВ. С помощью методики времяпролетной масс-спектрометрии показано, что в рабочем режиме ускорителя в пучках ионов неона кластеры отсутствуют; при использовании в качестве рабочего газа азота формируются кластеры с размерами около 100 атомов на элементарный заряд; в пучках кластеров аргона и ксенона присутствуют частицы с размерами до 5000 атомов на элементарный заряд.

• Получены угловые распределения распыленного при бомбардировке вещества. Показано, что характер углового распределения определяется упругими свойствами мишени. Для мишеней из материала с большим модулем упругости (например, молибден), распыление вдоль нормали более выражено по сравнению с материалами, обладающими меньшим модулем упругости (например, медь, индий). Обнаружена нестехиометричность состава распыленного вещества по углам вылета при облучении кластерными ионами многокомпонентной мишени. При больших углах эмиссии (>70°) доминируют тяжелые атомы мишени, при малых углах (<50°) - легкие атомы вне зависимости от соотношения энергий связи атомов мишени.

• Продемонстрирована возможность сглаживания диэлектриков, полупроводников и металлов кластерными ионами до уровня шероховатости менее 0,5 нм.

Список публикаций по теме диссертации.

Al. А.Е. Ieshkin, Yu.A. Ermakov, V.S. Chernysh. Angular distributions of particles sputtered from multicomponent targets with gas cluster ions // Nucl. Instrum. Meth. B. In Press. Available online 9 December 2014.

A2. V.S. Chernysh, A.E. Ieshkin, Yu. A. Ermakov. The new mechanism of sputtering with cluster ion beams // Appl. Surf. Sei., vol. 326, pp. 285-288, 2015.

A3. А.А. Andreev, V.S. Chernysh, Yu A. Ermakov, A.E. Ieshkin. Design and investigation of gas cluster ion accelerator // Vacuum, vol. 91, pp. 47-53, 2013.

A4. A.A. Андреев, Ю.А. Ермаков, A.E. Иешкин, A.C. Патракеев, B.C. Черныш. Ускоритель газовых кластерных ионов // Наукоемкие технологии, том 12, № 6, сс. 3-11, 2011.

А5. А.Е. Ieshkin, Yu A. Ermakov, V.S. Chernysh. Angular distributions of particles sputtered from multicomponent targets with gas cluster ions // Book of abstracts «26th International Conference on Atomic Collisions in Solids (ICACS 26)», Debrecen, Hungary, 2014 p. 183.

A6. A.E. Ieshkin, Y.A. Ermakov, A.A. Andreev, V.S. Chernysh. Gas Cluster Ion Beam Accelerator: First Results. // Book of Abstracts «25th International Conference on Atomic Collisions in Solids & 8th International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter», Kyoto, Japan, 2012, p. 145.

A7. Ю.А. Ермаков, A.E. Иешкин, Д.В. Петров, B.C. Черныш. Ускоритель газовых кластерных ионов: первые эксперименты // Сборник трудов XXI международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП- 2013", т. 1, Ярославль, 2013, с. 135.

А8. А.Е. Иешкин, Ю.А. Ермаков, B.C. Черныш, А.А. Шемухин. Угловые распределения распыленных атомов при облучении металлов и сплавов кластерами аргона. Сборник трудов 44 международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2014, с. 78.

А9. Ю.А. Ермаков, А.Е. Иешкин, B.C. Черныш Топография поверхностей твердых тел, обработанных пучком кластерных ионов // Труды 43 международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2013, с. 70.

А10. Ю.А. Ермаков, А.Е. Иешкин, B.C. Черныш. Характеристики пучка кластерных ионов аргона в импульсном режиме подачи газа // Труды 43 международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2013, с. 102.

Подписано к печати ОЯ. 1!5-

Tjçœk

Отпсчатзло и отделе оперэтиваой ncnxii

фнзнческото cpa-xyJUb-rcm tVlPV