Формирование энергетического спектра ионов и быстрых атомов

Для получения интегральных оценок скоростей процессов при ионной бомбардировке поверхности нужно знать энергетические спектры потоков ионов и быстрых атомов.

Наиболее простой является ситуация в бесстолкновительном вакуумном слое. В этом случае разброс ионов по скоростям будет определяться величиной разности потенциалов, локализуемой в плазме положительного столба разряда в ГРК, которая обычно не превышает 20–30 В. Если напряжение на пограничном слое превышает 100 В, указанным разбросом по энергиям в потоке ионов можно пренебречь. Ввиду отсутствия резонансной перезарядки в слое быстрые атомы в нем генерироваться не будут.

Картина явлений, при движении ионов из плазмы к мишени, существенно усложняется в реальных режимах ионно-плазменной обработки, когда d _сл составляет несколько длин свободного пути ионов по отношению к процессу резонансной перезарядки l _in (обычно d _сл» (3…10)l _in). В этом случае при своем движении в слое ионы могут испытывать по несколько перезарядок. В результате этого энергия приходящего на мишень иона будет определяться пройденным путем или разностью потенциалов соответствующих сечению последней перезарядки на пути к катоду и обрабатываемой поверхности.

При наличии перезарядок в слое будут генерироваться быстрые атомы, имеющие импульс в направлении к мишени. Их энергия будет определяться той энергией, которую имел быстрый ион в момент перезарядки.

В ситуациях, реализуемых на практике, можно не учитывать газовое усиление в слое. Поэтому в пределах слоя будут выполняться закон сохранения заряда и закон сохранения энергии. Иными словами, плотность потока ионов по сечению слоя будет неизменной. Энергия же, приобретаемая ионами при их движении в слое, в результате процесса перезарядки частично будет передаваться атомам. Если упругие столкновения ионов и атомов в слое отсутствуют, то суммарная плотность потока энергии dP_i/dS, приносимой ионами и быстрыми атомами на обрабатываемую поверхность, может быть вычислена как

,

где - плотность ионного тока в слое, U _сл - падение напряжения на нем. При наличии упругих столкновений часть энергии, из приобретаемой ионами в слое, будет уноситься атомами, получившими в результате упругих столкновений импульс в направлении от мишени.

Для вычисления энергетических спектров необходимо знать распределение потенциала по слою. Его вид будет определяться характером движения ионов в слое.

В реальных режимах ионно-плазменного распыления отношение d _сл/l_П при постоянном напряжении на слое практически не зависит от давления газа. При постоянном давлении отношение d _сл/l_П медленно убывает с ростом напряжения на слое.

Если принять, что распределение потенциала в слое подчиняется линейному закону, то для распределения ионов по энергиям можно получить

.

Энергетический спектр быстрых атомов перезарядки на обрабатываемой поверхности имеет вид:

,

где l_ау – средняя длина свободного пути атома перезарядки по отношению к упругим взаимодействиям с атомными частицами.

При линейном распределении потенциала в слое энергетическое распределение быстрых атомов перезарядки будет иметь вид:

Зная энергетические спектры ионов и атомов, бомбардирующих обрабатываемую поверхность, можно рассчитать эффективный коэффициент распыления:

,

где E _пор = 4 E _св / c- пороговая энергия распыления (E _св – энергия связи атомов обрабатываемом изделии).

При распылении поверхности моноэнергетическим потоком ионов скорость ионного распыления определяется выражением

,

где М _м и r_м - масса и плотность материала мишени; N_а - число Авогадро; е - заряд электрона; j_i - плотность ионного тока на мишени.