Во что превращает поверхность пучок ионов?
Во что превращает поверхность пучок ионов?
Ионное распыление, или, как его иногда называют по традиции, катодное распыление, известно не только тем, что оно разрушает первую стенку токамака. Это распыле-
атома) материала мишени. С увеличением энергии падающих ионов до энергий порядка 10 кэВ коэффициент распыления сначала растет, потом начинает убывать. Примеры экспериментальных данных показаны на рис. 54. Однако строгой теории катодного распыления, которая могла бы надежно предсказать экспериментальные данные до их получения, нет. Впрочем, для физики поверхности эта ситуация не нова.
Многочисленные существующие теории катодного распыления можно разбить на две
группы: тепловые и механиче
ские. Тепловые объясняют распыление нагревом поверхности в
месте удара иона и испарением; механические — столкновением иона с атомами мишени, в результате которого атомы мишени (соударяясь и друг с другом) получают импульс, направленный к поверхности мишени, и вылетают в вакуум. Механические теории отличаются одна от другой гипотезами о конкретном механизме взаимодействия иона с атомами и дают разные результаты, согласующиеся с теми или иными экспериментальными данными. Понятно, почему при больших энергиях коэффициент распыления уменьшается — падающий ион слишком глубоко забирается в глубь материала и выбитые им со своих мест атомы не добираются до поверхности. Понятно, почему коэффициент распыления мал при малых энергиях. Но гораздо большее количество фактов непонятно или понятно не совсем.
Например, при ионной бомбардировке на поверхности может появиться рельеф, причем довольно сложный. А возможна и полировка, сглаживание поверхности при бомбардировке ионами малых энергий. Это связано; видимо, с тем, что атомы, находящиеся на выступах, имеют меньшую энергию связи (их нужно оторвать от меньшего количества атомов), и поэтому можно так выбрать энергию ионов, что эти атомы будут распыляться сильно, а остальные — слабо.
ние сказывается на работе многих электронных приборов. Оно также может применяться во многих технологических процессах. Катодным оно называется потому, что впервые наблюдалось на катоде в газовом разряде.
Какие основные экспериментальные факты известны о катодном распылении? Коэффициент распыления (отношение количества распыленных атомов к числу попавших на поверхность ионов) увеличивается с увеличением массы иона и с уменьшением энергии испарения (энергии, необходимой для испарения
При высокой плотности потока ионов, бомбардирующих электрод, концентрация внедренных в него атомов и возникших в нем дефектов решетки достигают таких значений, что полностью разрушается кристаллическая решетка и материал переходит в аморфное состояние. При этом исчезает четко выраженная температура плавления (действительно, при какой температуре плавится стекло?), и эта непонятная смесь металла и газа начинает ползти, оплывать, как свеча, под действием силы тяжести. Этот эффект обнаружен несколько лет назад*).
Рассмотрим подробнее, как меняется геометрия поверхности при катодном распылении. Была гладкая — стала вся в иголках, как еж, или в бороздах, как картофельное поле. Или наоборот — была шероховатая, стала гладкая. Как возникает рельеф? Рассмотрим сначала вторую половину этого вопроса. Пусть рельеф уже существует. Будет он при бомбардировке сглаживаться или не будет? Чем характеризуется рельеф? Прежде всего углом наклона. Но склон, крутой для туриста, любующегося горой из автобуса, будет средним для горнолыжника или пологим для альпиниста. А для физика это все 30 градусов. Для того чтобы рельеф при распылении изменялся, коэффициент распыления должен зависеть от угла падения ионов на мишень. А зависит ли коэффициент распыления от угла падения?.. Мы в очередной раз превратили один вопрос в другой, но в науке эта цепочка бывает и длиннее. Важно, кончается ли она ответом.
Если ион падает на поверхность перпендикулярно, то он внедрится на большую глубину, чем ион, падающий под углом. Следовательно, атомы, которые получают импульс от касательно падающего иона, будут находиться на меньшей глубине, и вероятность их вылета в вакуум должна быть больше, т. е. коэффициент распыления должен расти с увеличением угла падения ионов. Однако коэффициент распыления уменьшается при почти касательном падении ионов на поверхность (рис. 55). Но ведь и камешек будет прыгать по воде, если его кинуть по касательной…
Рассмотрим участок поверхности, имеющий области с тремя наклонами (рис. 56). Профиль, получающийся после распыления, показан пунктиром. На участке с наклоном в = 0Ш распыление, согласно рис. 56, максимально. Мы видим, что зона с этим наклоном «съедает» соседей. Поэтому в самом грубом приближении поверхность должна заполняться бороздами или конусами с углом наклона 0Ш (рис. 57). Но иногда эти. конусы имеют еще ямочки у основания и «шпиль» наверху…
Все это относится к преобразованию уже имеющегося рельефа, а откуда он берется? Во-первых, шероховатость поверхности может быть следствием механической обработки поверхности (шлифовки, точения и т. д.); во-вторых, она может возникнуть, если коэффициенты распыления поверхности в разных ее местах различны из-за различий в составе или структуре поверхности, и, наконец, атомы на углах держатся слабее и, следовательно, распыляются легче.
Добавим, что при касательном падении пучка ионов малой энергии, такой, что распыление только-только становится заметно, шероховатость, оставшаяся на поверхности после механической обработки, сглаживается.
Но то, что происходит при катодном распылении многокомпонентных соединений, устроено еще сложнее. Можно еще догадаться, почему примесь одного металла к другому иногда вызывает образование рельефа при распылении: слабо распыляющаяся (а по некоторым теориям — тугоплавкая) примесь, если ее атомы сосредоточены на каких-то участках, защищает от распыления находящийся под ней материал. Но почему добавка нескольких процентов висмута к меди увеличивает коэффициент распыления наполовину? Почему добавление нескольких процентов алюминия к золоту снижает распыление в десять раз? Для распыления сплавов существует несколько теорий и иногда то одна из них, то другая способны правильно предсказать результаты отдельных экспериментов…