Вплив іонного бомбардування підкладки на властивості плівок

Вплив іонного бомбардування підкладки на властивості плівок

Для зміни фізичних і хімічних властивостей використовується іонне бомбардування плівки в процесі її росту як власними, так і сторонніми атомами різних хімічних елементів. Використовуються іони з енергією  еВ в кількості 0,1-100 % від загального перенесення маси робочої речовини на підкладку. В основі взаємодії прискорених іонів з плівкою, що конденсується, лежить іонне розпорошення сторонніх та основних атомів плівки, а також інші фізичні і фізико-хімічні процеси: проникнення вглибину плівки чи підкладки, радіаційні порушення і нагрівання поверхні конденсації, стимулювання хімічних реакцій на поверхні, виникнення іонно-електронної і навіть фотонної емісії тощо. Ці процеси різко змінюють умови конденсації речовини з плазми у вакуумі порівняно з термічним випаровуванням на всіх стадіях росту плівки. Спочатку спостерігається підвищена кількість зародків конденсації, адгезії, густини і зменшення у розмірі острівців, а потім структура суцільних плівок стає більш дисперсною і менш пористою, з меншою кількістю домішок, стійкістю до окислення і старіння, тобто з’являються якісно нові властивості плівок, покрить й спеціальних матеріалів конденсатів, особливо при реактивному вакуумно-плазмовому напиленні.

Розглянемо це на основі фізичної моделі Р.Л. Шагіняна, що встановлює кількісний зв’язок складу плівки з двома факторами – взаємною хімічною активністю металу і азоту та іонного бомбардування при одержанні плівки нітриду металу.

Нехай на підкладку надходить потік атомів азоту . Ці атоми взаємодіють з металом, утворюючи нітрид і залишаючись на підкладці, а також один з одним  , утворюючи молекули, що залишають підкладку. Час життя а атома азоту до утворення  визначається взаємною активністю металу й азоту, що характеризується різницею електронегативностей . Час життя  до утворення молекули  пропорційний електронегативності азоту . З огляду на це зміну кількості атомів азоту  на одиницю поверхні конденсації в одиницю часу можна записати як

,(2.9)

де  - член, що враховує втрату атомів азоту за рахунок їхньої взаємодії з  і .

Розв’язок цього рівняння має вигляд

.         (2.10)

Із рівняння (2.10) бачимо, що при  на поверхні буде  атомів азоту, тобто всі вони розподіляються на 2 частини, одна з яких бере участь у синтезі , інша звітрюється у вигляді молекул . Звідси можна записати .

З огляду на те, що

,

знайдемо кількість атомів азоту, що взяли участь у синтезі нітриду:

.(2.11)

Рівняння (2.11) демонструє роль взаємної активності металу та азоту в синтезі нітриду. З нього впливає, що чим більша величина , тим менше , тобто тим більша кількість атомів азоту може бути вилучена під дією зовнішніх факторів, що і спостерігалося експериментально при дослідженні впливу іонного бомбардування на склад плівок нітриду індію, для якого  найменша (тобто  найбільше) у ряді .

Щоб оцінити вплив іонного бомбардування на величину , віднімемо від (2.11) величину , що враховує втрату частини атомів азоту з поверхні росту за рахунок іонно-стимульованої десорбції ( - потік іонів на поверхню росту;  – коефіцієнт, що показує, яку частину іонів з потоку  десорбує азот), і отримаємо

.(2.12)

Підставивши у (2.12)

,(2.13)

де враховується залежність  від часу життя атома азоту в  а і  і від енергії (параметр ), отримаємо

.(2.14)

Із (2.14) видно, що за малих величин потоку іонів  чи при нетривалому часі життя а роль іонного бомбардування (параметр ) у формуванні сполуки плівки незначна. Саме це спостерігалось експериментально для плівок , для яких а мале та іонне бомбардування не впливало на склад плівки. Навпаки, для , у якого а велике, спостерігалося збіднення складу плівки азотом при збільшенні енергії іонів до 600 еВ з коефіцієнтом іонізації плазми (2-6 %).

Розглянута модель впливу іонного бомбардування на властивості тонких плівок найпростіша і може розглядатися лише як ілюстрація значно ширших можливостей вакуумно-плазмової технології тонких плівок порівняно з термовакуумним напиленням.

З точки зору механізмів взаємодії іонів з поверхнею твердого тіла чи плівки весь діапазон енергій іонів розпадається на інтервали: малі енергії  , середні енергії  і високі .

Діапазон низьких енергій грунтовно вивчений традиційною фізикою поверхневих явищ. Якщо централізований при підльоті до поверхні іон (атом) зіштовхується з енергією, яка більша від глибини потенціальної ями атома твердого тіла, то він взаємодіє з багатьма атомами решітки, віддає їм надлишок енергії (колективна взаємодія) і адсорбується або відбивається. Молекулярні пучки легких атомів (водню, гелію) відбиваються від монокристалічних поверхонь металів дзеркально. З ростом маси атома, що налітає, і температури тіла зростає дифузійність відбивання. Адсорбований атом, який перейшов у теплову рівновагу з кристалічною решіткою, потрапляє до якої-небудь потенціальної ями і коливається в ній. Амплітуда коливань адатома навколо положення рівноваги залежить від температури тіла. Якщо температура тіла, виражена в енергетичних одиницях, менша від глибини потенціальної ями, атом затримується в останній. У протилежному разі він залишає потенціальну яму і потрапляє до іншої, потім до третьої і т.д., тобто мігрує  поверхнею. При зростанні температури тіла атом може залишити поверхню – випаруватись. У цьому діапазоні енергій існують поняття “критична температура підкладки” та “критична густина потоку атомів”.

Зміна механізму конденсації в межах середніх енергій іонів чи атомів полягає, зокрема, в очищенні поверхні від сторонніх атомів, що спричиняє кращому захоплення атомів, які налітають на поверхню. При цьому поняття “критична температура підкладки” та “критична густина потоку атомів” зникають, проте швидкість напилення за сталої швидкості збивання (розпорошення) також падає зі зростанням температури поверхні конденсації. Якщо температура поверхні нижча від тієї, яка була б критичною в умовах низьких енергій, властивих термічному випаровуванню, то практично всі атоми потоку конденсуються. Оскільки при іонному розпиленні утворюється широкий спектр енергій атомів (від теплових до десятків електрон-вольт), то при температурі поверхні, яка вища за критичну, атоми з мінімальною енергією не зможуть проникнути у тверде тіло і будуть випаровуватися. Ріст плівки в цих умовах відбувається тільки за рахунок атомів з більшою енергією. Тому при збільшенні температури тіла швидкість напилення атомів, які утворилися при іонному розпиленні мішені, зменшується.

У діапазоні високих енергій  процес зіткнення “легких” іонів або атомів з твердим тілом розглядається як парний співудар. Практично вивчено саме зіткнення іонів з поверхнею, оскільки одержати атоми зазначених енергій досить складно. Термін “легкий” означає, що маса  частинки, яка налітає, менша від маси атома чи іона поверхні . У протилежному разі, коли , частинка, яка налітає, захоплює за собою частинку поверхні і процес взаємодії незабаром стає колективним через участь у ньому частинок тіла. Тому коефіцієнт відбивання “легких” частинок значно більший, ніж у “важких”. Так, наприклад, при нормальному падінні різних іонів з енергією  на площину  кристала міді частка відбитих частинок становить: для , , , . Решта іонів проникає досить глибоко і, витративши енергію, або залишається в об’ємі твердого тіла, або повільно дифундує до поверхні. Отже, при взаємодії високоенергетичних частинок із твердим тілом розрізняють три групи частинок: власне відбиті, які мають енергію, близьку до початкової; ті, що випаровуються, які десорбувалися після прилипання до поверхні іонів, що налітали; дифузійні, які утворилися при проникненні первинних частинок углибину твердого тіла, а потім за рахунок дифузії вийшли на поверхню і десорбувалися. Як бачимо, швидкі іони проникають у тверде тіло. На своєму шляху вони зміщують атоми із вузлів кристалічної решітки, які, у свою чергу, зміщують із вузлів решітки інші атоми. В результаті утворюються радіаційні порушення решітки. Частина атомів, що змістилися, одержує необхідний напрямок руху і достатню для виходу у вакуум енергію. Вилітають атоми із глибини, яка становить до 10 атомних шарів від поверхні. Решта атомів залишається в решітці. Глибина проникнення швидких іонів у тверде тіло залежить як від енергії іона, так і від будови твердого тіла. Природно, що глибина проникнення іона максимальна в напрямку мінімального пакування атомів і становить для іонів міді з енергією  величину 40 нм. Оскільки іонний потік несе велику енергію, температура поверхні тіла чи плівки може істотно відрізнятися від   середньої температури об’єму тіла. Міграція поверхневих атомів існує навіть при зниженій температурі поверхні. Це змінює механізм конденсації плівок порівняно з тими, що розглянуті вище, проте це явище вивчене ще недостатньо. Процес конденсації плівок з високоенергетичних потоків іноді називають “плазмовою технологією високих енергій”.