Основные принципы взаимодействия ионов с поверхностью

Основные принципы взаимодействия ионов с материалами в процессах вакуумного электродугового нанесения покрытий аналогичны рассмотренным в разделе 2.1 и реализуются на поверхности и приповерхностных слоях, поскольку кинетическая энергия частиц не превышает 1—2 кэВ. В основном используются положительные одно- и двух-, реже трехразрядные ионы, а также молекулярные ионы и заряженные кластеры, микрокапли. При таких энергиях толщина поверхностного слоя, в котором осуществляется взаимодействие ионов с материалами, не превышает 1—2 Нм, т. е. ограничена максимум двумя десятками атомных слоев у поверхности.

Двигаясь от вакуумной дуги к обрабатываемой поверхности, ионы взаимодействуют не только между собой, но и с молекулами и атомами паров и остаточных газов, содержащихся в вакуумном объеме. При этом первичные ионы рассеиваются и теряют энергию, происходят процессы перезарядки ионов и изменяется состав ионного потока. Чтобы этого не происходило, длина свободного пробега ионов, которая обратно пропорциональна произведению плотности атомов паров и газов на сечение соответствующего взаимодействия, должна быть намного больше, чем путь, проходимый ионами.

При сближении иона с поверхностью твердого тела на расстояния порядка атомных размеров, напряженность электрического поля между ионом и поверхностью становится настолько большой, что возможен переход электрона из твердого тела к иону и его нейтрализация. При этом освобождается энергия, которая может излучаться, а также безизлучательно передаваться другому электрону твердого тела. Для ионов с энергией 1 — 2 кэВ вероятность их нейтрализации весьма большая, особенно если твердым телом является металл. Таким образом, в материал непосредственно начинают внедряться уже нейтральные атомы. Однако в литературе для краткости применяется термин «ион», и здесь он тоже используется для обозначения движущейся внутри твердого тела частицы.

Внедрение иона внутрь твердого тела происходит одновременно с потерей им энергии вследствие столкновений с ядрами атомов и электронной подсистемой тела. При этом ионы испытывают два типа соударений: упругие и неупругие.

Упругими (ядерными) соударениями называют такие, при которых энергия передается атомам твердого тела. При этом характер торможения внедряющегося иона будет дискретным. Результатом упругих столкновений является рассеяние иона (в том числе и обратное), усиление колебаний решетки, смещение атомов, т.е. образование дефектов. В случае, когда энергия и импульс внедряемого иона передаются поверхностным атомам, происходит распыление поверхности.

Неупругими (электронными) являются соударения, в которых энергия иона сообщается электронам. Эти соударения обусловливают возбуждение и ионизацию томов и молекул, диссоциацию молекул в результате передачи энергии электронам на атомных орбиталях, а также возбуждение всей электронной подсистемы обрабатываемого метала. В результате неупругих столкновений возникают электромагнитное излучение, вторичная электронная эмиссия, зарядка распыленных частиц, перезарядка и т. д.

В зависимости от энергии бомбардирующих ионов преобладает ядерное или электронное торможение. Ядерное торможение имеет место при низких энергиях ионов, а электронное — при высоких. Для случая вакуумного электродугового нанесения покрытии следует рассматривать только механизм ядерного торможения (упругие столкновения), так как используемые энергии ионов невысоки.

Рассмотрим процессы, происходящие в поверхностных атомных слоях материала при упругом (ядерном) взаимодействии падающих (первичных) ионов. Одним из них является обратное рассеяние ионов (вторичные ноны), характеризуемое коэффициентом рассеяния, определяемым как число обратно рассеянных ионов, приходящихся на один бомбардирующий ион R_N. Ион в материале испытывает множество столкновений с атомами. В результате его импульс может изменить свое направление на обратноеи ион вылетит из материала. Вероятность обратного рассеяния зависит от энергии, массы иона, свойств и структуры обрабатываемой поверхности. В частности, с уменьшением энергии вероятность обратного рассеяния увеличивается. Если измерять распределение по энергиям ионов, отраженных в определенном направлении в результате однократного рассеяния, то можно найти элементный состав материала. На этом основаны методы обратного рассеяния медленных ионов, которые позволяют определять состав тонких поверхностных слоев (~ 1 Нм).

Бомбардирующие поверхность ионы рассеиваются обратно в виде нейтральных атомов, а также положительно и отрицательно заряженных ионов. Доля заряженной составляющей уменьшается относительно нейтрально составляющей со снижением энергии обратно рассеянных ионов. Это позволяет сделать вывод, что в методе вакуумного электродугового нанесения покрытий при пользовании ионов с энергией 1 - 1,5 кэВ доля обратно рассеянных заряженных частиц весьма невелика и не превышает 10%. Более того, оказывается, что при энергии менее 1 кэВ большая часть ионов даже не проникает в материал и рассеивается обратно, а лишь передает атомам свою энергию и импульс, оставаясь на поверхности материала, т. е. конденсируясь на ней.

Рассмотрим еще один процесс, происходящий при взаимодействии бомбардирующих ионов с поверхность материала. Атом или группы атомов в поверхностном слое толщиной до нескольких нанометров, получившие достаточно сильный импульс в направлении границы материал — вакуум, могут выйти с поверхности, в результате чего произойдет распыление вещества. Согласно современным представлениям, предполагается, что проникновение иона в материал вызывает каскад бинарных упругих столкновений смещенных атомов. Конечным результатом каскада столкновений может стать передача поверхностному атому достаточной энергии и импульса необходимого направления для того, чтобы покинуть поверхность. Распыление будет происходить, если энергия иона превышает некоторое значение . Предполагая, что энергия связи поверхностного атома материал равна энергии сублимации ,пороговую энергию распыления можно оценить с помощью соотношения:

> , (2.18)

где и — атомные массы соответственно бомбардирующего иона и обрабатываемого материала.

Для характеристики процесса ионного распыления вводится коэффициент распыления , равный количеству распыленных атомов, приходящихся на один бомбардирующий ион. Установлено, что коэффициент зависит от массы, энергии, направления движения бомбардирующего иона, свойств обрабатываемого материала, плотности потока ионов, давления и состава адсорбированных поверхностью газов и многих других факторов. Вчастности, с увеличением энергии бомбардирующего иона коэффициент распыления возрастает, достигает максимума, а затем уменьшается. Практически для всex материалов с увеличением угла падения ионов относительно нормали к поверхности коэффициент распыления возрастает.

Большинство материалов, поверхность которых подвергается воздействию ионных потоков, многокомпонентно. Поэтому ионное распыление многокомпонентных материалов и соединений имеет особенности, связанные с различной распыляемостью компонентов. Преимущественное распыление какого-либо компонента приводит кобъединению им распыляемой поверхности и формированию на ней развитого рельефа. Основное влияние на эффект такого преимущественного или селективного распыления оказывают различие масс атомных компонент материала, прочность их связи с поверхностью, энергия и мaссa бомбардирующего иона. Этот эффект особенно усиливается, если поток ионов также многокомпонентный.

Распыленные частицы имеют более высокую кинетическую энергию, чем испаренные. В основном это атомы, ионы, молекулы и кластеры, иногда в возбужденном состоянии. При энергии бомбардирующих ионов 1 — 2 кэВ частицы выбиваются из поверхностных слоев материала и коэффициент распыления S>1. Если энергию ионов уменьшить до 30—200 эВ, то S<1. Первый вариант можно эффективно использовать для ионного распыления поверхности подложки в вакууме, а второй — для нанесения покрытий из ионного потока, что широко применяется на практике при создании установок вакуумного электродугового нанесения покрытий.

Если при упругом столкновении иона с атомом материала энергия, передаваемая атому, меньше необходимой для выбивания его из узла, то колебания атома относительно положения равновесия увеличиваются, что в общем приводит к возрастанию амплитуды колебаний соседних атомов, т. е. происходят нагрев материала и вместе с тем конденсация иона. Как правило, около 90% всей внесенной ионами в материал энергии превращается в теплоту. Такой процесс используют практически в установках для нагрева изделий до необходимой температуры нанесения покрытий. Причем два процесса происходят одновременно — нагрев и распыление поверхности обрабатываемого материала.

Помимо рассмотренных выше процессов при бомбардировке ионами поверхности материала может происходить смещение атомов из занимаемых ими узлов кристаллической решетки, т. е. в поверхностном слое материала образуются радиационные дефекты. Они обладают определенной подвижностью и, объединяясь между собой или с примесями, могут создавать сложные комплексы дефектов.

В процессе ионной бомбардировки с поверхности обрабатываемого материала происходит эмиссия электронов. Это связано с тем, что в поле иона потенциальный барьер для электронов значительно понижается и они могут выходить из материала. При этом возможны два вида электронных переходов, связанных с нейтрализацией иона: резонансные и оже-переходы. Как правило, нейтрализация ионов происходит в основном через оже-переходы как наиболее вероятные. Большая часть вторичных электронов имеет энергию менее 5 эВ. Явление эмиссии электронов с поверхности при ионной обработке материалов используется для анализа егосостава (метод оже-электронной спектроскопии).

Таким образом, из изложенного выше следует, что процесс нанесения покрытий имеет место, когда коэффициент распыления < . В этом случае большая часть энергии ионов, падающих на подложку, идет на ее нагрев и аккумулируется.