Распыление - Sputtering

Коммерческая система распыления AJA Orion на Научно-технический центр Cornell NanoScale

В физике распыление это явление, при котором микроскопические частицы твердого материала выбрасываются с его поверхности после того, как сам материал подвергается энергетической бомбардировке. частицы из плазма или же газ.[1] Это происходит естественно в космическое пространство, и может быть нежелательным источником носить в прецизионных компонентах. Однако тот факт, что его можно заставить воздействовать на очень тонкие слои материала, используется в науке и промышленности - там он используется для выполнения точных травление, проводить аналитические методы и депонировать тонкая пленка слои при изготовлении оптические покрытия, полупроводниковые приборы и нанотехнологии товары. Это физическое осаждение из паровой фазы техника. [2]

Физика

Когда энергичные ионы сталкиваются с атомами материала мишени, происходит обмен импульс происходит между ними.[1][3][4]

Распыление из каскада линейных столкновений. Толстая линия показывает положение поверхности, где все, что находится под ней, является атомами внутри материала, а более тонкие линии - пути баллистического движения атомов от начала до остановки в материале. Фиолетовый кружок - входящий ион. Красные, синие, зеленые и желтые кружки показывают соответственно первичную, вторичную, третичную и четвертичную отдачу. Два атома выходят из образца, т.е. они распыляются.

Эти ионы, известные как «падающие ионы», вызывают каскады столкновений в мишени. Такие каскады могут идти разными путями; некоторая отдача назад к поверхности цели. Если каскад столкновений достигает поверхности цели, а его оставшаяся энергия больше, чем поверхность цели энергия связи, атом будет выброшен. Этот процесс известен как «распыление». Если цель тонкая (в атомном масштабе), каскад столкновений может достигнуть ее тыльной стороны; считается, что атомы, выброшенные таким образом, «при пропускании» ускользают от поверхностной энергии связи.

Среднее количество атомов, выброшенных из мишени на один падающий ион, называется «выходом распыления». Мощность распыления зависит от нескольких факторов: от угла, под которым ионы сталкиваются с поверхностью материала, от того, с какой энергией они сталкиваются, их масс, масс атомов мишени и энергии связи с поверхностью мишени. Если у цели есть кристалл конструкции, ориентация ее осей по отношению к поверхности является важным фактором.

Ионы, вызывающие распыление, поступают из различных источников - они могут поступать из плазма, специально построенный источники ионов, ускорители частиц, космическое пространство (например, Солнечный ветер ) или радиоактивных материалов (например, альфа-излучение ).

Аналитической моделью Томпсона является модель для описания распыления в каскадном режиме аморфных плоских мишеней.[5] В программе реализован алгоритм, моделирующий распыление на основе квантово-механической обработки, включая отрыв электронов при высокой энергии. ПОДРЕЗАТЬ.[6]

Другой механизм физического распыления называется «распыление тепловых всплесков». Это может произойти, когда твердое тело достаточно плотное, а приходящий ион достаточно тяжелый, чтобы столкновения происходили очень близко друг к другу. В этом случае приближение бинарных столкновений больше не действует, и процесс столкновений следует понимать как процесс многих тел. Плотные столкновения вызывают всплеск тепла (также называемый термическим пиком), который по существу плавит небольшую часть кристалла. Если эта часть находится достаточно близко к ее поверхности, большое количество атомов может быть выброшено из-за протекания жидкости к поверхности и / или микровзрывов.[7] Распыление тепловыми импульсами наиболее важно для тяжелых ионов (например, Xe, Au или кластерных ионов) с энергией в диапазоне кэВ – МэВ, бомбардирующих плотные, но мягкие металлы с низкой температурой плавления (Ag, Au, Pb и т. Д.). Распыление тепловых всплесков часто нелинейно увеличивается с увеличением энергии, и для небольших кластерных ионов может привести к значительным выходам распыления на кластер порядка 10 000.[8] Для анимации такого процесса см. "Re: Displacement Cascade 1" в внешняя ссылка раздел.

Физическое распыление имеет четко определенный минимальный энергетический порог, равный или превышающий энергию иона, при котором максимальная передача энергии от иона к атому-мишени равна энергии связи поверхностного атома. Другими словами, это может произойти только тогда, когда ион способен передать больше энергии в мишень, чем требуется для того, чтобы атом оторвался от своей поверхности.

Этот порог обычно находится в диапазоне от десяти до ста. эВ.

Предпочтительное напыление может возникнуть в самом начале, когда многокомпонентная твердая мишень бомбардируется и диффузия твердого тела отсутствует. Если передача энергии одному из целевых компонентов более эффективна или она менее прочно связана с твердым телом, она будет распыляться более эффективно, чем другой. Если в сплаве AB компонент A распыляется преимущественно, поверхность твердого тела во время длительной бомбардировки будет обогащаться компонентом B, тем самым увеличивая вероятность того, что B распыляется так, что состав распыленного материала в конечном итоге вернется к AB.

Электронное напыление

Период, термин электронное напыление может означать либо распыление, вызванное энергичными электронами (например, в просвечивающем электронном микроскопе), либо распыление из-за очень высокоэнергетических или сильно заряженных тяжелых ионов, которые теряют энергию в твердое тело, в основном электронными останавливающая сила, где электронные возбуждения вызывают распыление.[9] Электронное распыление обеспечивает высокий выход распыления из изоляторы, поскольку электронные возбуждения, вызывающие распыление, не гаснут сразу, как в проводнике. Один из примеров - покрытая льдом луна Юпитера. Европа, где ион серы МэВ из магнитосферы Юпитера может выбросить до 10 000 H2Молекулы O.[10]

Возможное распыление

Коммерческая система распыления

В случае многозарядных ионов-снарядов может иметь место особая форма электронного распыления, которая получила название возможное распыление.[11][12] В этих случаях потенциальная энергия, запасенная в многозарядных ионах (т. Е. Энергия, необходимая для образования иона этого зарядового состояния из его нейтрального атома), высвобождается, когда ионы рекомбинируют во время удара о твердую поверхность (образование полые атомы ). Этот процесс распыления характеризуется сильной зависимостью наблюдаемых выходов распыления от зарядового состояния налетающего иона и может происходить уже при энергии удара иона, значительно ниже физического порога распыления. Возможное распыление наблюдали только для определенных видов мишеней.[13] и требует минимальной потенциальной энергии.[14]

Травление и химическое напыление

Удаление атомов путем распыления инертным газом называется ионное измельчение или же ионное травление.

Распыление также может играть роль в реактивно-ионное травление (RIE), плазменный процесс, осуществляемый с химически активными ионами и радикалами, для которого эффективность распыления может быть значительно увеличена по сравнению с чистым физическим распылением. Реактивные ионы часто используются в вторично-ионная масс-спектрометрия (SIMS) оборудование для повышения скорости распыления. Механизмы, вызывающие усиление распыления, не всегда хорошо изучены, хотя случай травления кремния фтором хорошо смоделирован теоретически.[15]

Наблюдаемое распыление ниже пороговой энергии физического распыления также часто называют химическим распылением.[1][4] Механизмы такого распыления не всегда хорошо изучены, и их может быть трудно отличить от химического травление. Можно понять, что при повышенных температурах химическое распыление углерода происходит из-за поступающих ионов, ослабляющих связи в образце, которые затем десорбируются при термической активации.[16] Вызванное водородом распыление углеродных материалов, наблюдаемое при низких температурах, было объяснено тем, что ионы H попадают между связями C-C и, таким образом, разрывают их, механизм, получивший название быстрое химическое распыление.[17]

Приложения и явления

Распыление происходит только тогда, когда кинетическая энергия поступающих частиц намного выше, чем обычные тепловые энергии (≫ 1 эВ ). Когда закончите с постоянный ток (Напыление постоянным током) используются напряжения 3-5 кВ. Когда закончите с переменный ток (РФ распыление), частоты находятся в диапазоне 14 МГц.

Очистка распылением

Поверхности твердых тел можно очистить от загрязнений с помощью физического распыления в вакуум. Очистка распылением часто используется в наука о поверхности, вакуумное напыление и ионное покрытие. В 1955 году Фарнсворт, Шлир, Джордж и Бургер сообщили об использовании очистки распылением в системе сверхвысокого вакуума для подготовки сверхчистых поверхностей для исследований дифракции низкоэнергетических электронов (ДМЭ).[18][19][20] Распылительная очистка стала неотъемлемой частью ионное покрытие процесс. Когда очищаемые поверхности большие, аналогичная техника, плазменная очистка, может быть использован. Очистка распылением имеет некоторые потенциальные проблемы, такие как перегрев, включение газа в область поверхности, повреждение в результате бомбардировки (радиационное излучение) в области поверхности и шероховатость поверхности, особенно если закончено. Важно иметь чистый плазма во избежание постоянного повторного загрязнения поверхности во время очистки распылением. Повторное осаждение распыленного материала на подложку также может вызвать проблемы, особенно при высоких давлениях распыления. Распыление поверхности компаунда или сплава может привести к изменению состава поверхности. Часто виды с наименьшей массой или наибольшей массой. давление газа тот, который преимущественно распыляется с поверхности.

Осаждение пленки

Основная статья: Напыление

Напыление это метод депонирование тонкие пленки распылением, которое включает эрозию материала из «целевого» источника на «подложку», например кремний вафля, солнечная батарея, оптический компонент или многие другие возможности.[21] Репутация, напротив, включает повторную эмиссию осажденного материала, например SiO2 во время осаждения также ионной бомбардировкой.

Распыленные атомы выбрасываются в газовую фазу, но не находятся в своем термодинамическое равновесие состоянии и имеют тенденцию осаждаться на всех поверхностях вакуумной камеры. Подложка (например, пластина), помещенная в камеру, будет покрыта тонкой пленкой. Осаждение распылением обычно использует аргон плазма, потому что аргон, благородный газ, не вступает в реакцию с материалом мишени.

Травление

В полупроводниковой промышленности для травления мишени используется распыление. Травление распылением выбирают в тех случаях, когда высокая степень травления анизотропия необходимо, и избирательность не имеет значения. Одним из основных недостатков этого метода является повреждение пластины и использование высокого напряжения.

Для анализа

Еще одно применение распыления - это травление материала мишени. Один такой пример встречается в вторично-ионная масс-спектрометрия (SIMS), где целевой образец распыляется с постоянной скоростью. Когда мишень распыляется, концентрация и идентичность распыленных атомов измеряются с использованием масс-спектрометрии. Таким образом может быть определен состав целевого материала и обнаружены даже очень низкие концентрации (20 мкг / кг) примесей. Кроме того, поскольку распыление все глубже проникает в образец, можно измерить профили концентрации как функцию глубины.

В космосе

Распыление - одна из форм космического выветривания, процесс, который изменяет физические и химические свойства безвоздушных тел, таких как астероиды и Луна. На ледяных лунах, особенно Европа распыление фотолизированной воды с поверхности приводит к чистой потере водорода и накоплению богатых кислородом материалов, которые могут быть важны для жизни. Распыление также является одним из возможных способов Марс потерял большую часть своего атмосфера и это Меркурий постоянно пополняет свой тонкий поверхностно-ограниченный экзосфера.


Рекомендации

  1. ^ а б c Р. Бериш (редактор) (1981). Распыление бомбардировкой частицами. Спрингер, Берлин. ISBN  978-3-540-10521-3.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  2. ^ http://www.semicore.com/news/94-what-is-dc-sputtering
  3. ^ П. Зигмунд, Nucl. Instrum. Методы Phys. Res. B (1987). «Механизмы и теория физического распыления ударными частицами». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция B. 27 (1): 1–20. Bibcode:1987НИМПБ..27 .... 1С. Дои:10.1016 / 0168-583X (87) 90004-8.
  4. ^ а б Р. Бериш и В. Экштейн (ред.) (2007). Распыление бомбардировкой частицами: эксперименты и компьютерные расчеты от пороговой до Мэв энергии. Спрингер, Берлин.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  5. ^ М. В. Томпсон (1962). «Энергетический спектр выброшенных атомов при высокоэнергетическом распылении золота». Фил. Mag. 18 (152): 377. Bibcode:1968ПМаг ... 18..377Т. Дои:10.1080/14786436808227358.
  6. ^ Дж. Ф. Циглер, Дж. П., Бирсак, У. Литтмарк (1984). Остановка и пробег ионов в твердых телах, т. 1 серии «Остановка и интервалы ионов в веществе». Pergamon Press, Нью-Йорк. ISBN  978-0-08-021603-4.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Май Гали и Р. С. Авербак (1994). «Влияние вязкого течения на ионное повреждение вблизи твердых поверхностей». Письма с физическими проверками. 72 (3): 364–367. Bibcode:1994ПхРвЛ..72..364Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.72.364. PMID  10056412.
  8. ^ С. Буно; А. Брюнель; С. Делла-Негра; Дж. Депау; Д. Жаке; Y. L. Beyec; М. Паутра; М. Фаллавье; Дж. К. Пойза и Х. Х. Андерсен (2002). "Очень большой выход распыления золота и серебра, вызванный энергией от кэВ до МэВ Auп кластеры (n = 1–13) ". Phys. Ред. B. 65 (14): 144106. Bibcode:2002ПхРвБ..65н4106Б. Дои:10.1103 / PhysRevB.65.144106.
  9. ^ Т. Шенкель; Briere, M .; Schmidt-Böcking, H .; Bethge, K .; Schneider, D .; и другие. (1997). «Электронное распыление тонких проводников нейтрализацией медленных высокозарядных ионов». Письма с физическими проверками. 78 (12): 2481. Bibcode:1997ПхРвЛ..78.2481С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.78.2481.
  10. ^ Johnson, R.E .; Карлсон, Р. У .; Купер, Дж. Ф .; Paranicas, C .; Мур, М. Х .; Вонг, М. С. (2004). Фран Багенал; Тимоти Э. Доулинг; Уильям Б. Маккиннон (ред.). Радиационные эффекты на поверхности галилеевых спутников. В: Юпитер. Планета, спутники и магнитосфера. 1. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 485–512. Bibcode:2004jpsm.book..485J. ISBN  0-521-81808-7.
  11. ^ Т. Нейдхарт; Пихлер, Ф .; Aumayr, F .; Зима, л.с. .; Schmid, M .; Varga, P .; и другие. (1995). «Возможное распыление фторида лития медленными многозарядными ионами». Письма с физическими проверками. 74 (26): 5280–5283. Bibcode:1995ПхРвЛ..74.5280Н. Дои:10.1103 / PhysRevLett.74.5280. PMID  10058728.
  12. ^ М. Спорн; Libiseller, G .; Neidhart, T .; Schmid, M .; Aumayr, F .; Зима, л.с. .; Varga, P .; Grether, M .; Niemann, D .; Stolterfoht, N .; и другие. (1997). «Возможное распыление чистого SiO2 медленными высокозаряженными ионами ". Письма с физическими проверками. 79 (5): 945. Bibcode:1997ПхРвЛ..79..945С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.79.945.
  13. ^ Ф. Аумайр и Х. П. Винтер (2004). «Возможное разбрызгивание». Философские труды Королевского общества A. 362 (1814): 77–102. Bibcode:2004RSPTA.362 ... 77A. Дои:10.1098 / rsta.2003.1300. PMID  15306277.
  14. ^ Г. Хайдерер; Schmid, M .; Varga, P .; Зима, H; Aumayr, F .; Wirtz, L .; Lemell, C .; Burgdörfer, J .; Hägg, L .; Reinhold, C .; и другие. (1999). «Порог потенциального распыления LiF» (PDF). Письма с физическими проверками. 83 (19): 3948. Bibcode:1999PhRvL..83.3948H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.3948.
  15. ^ Т. А. Скулкрафт и Б. Дж. Гаррисон, Журнал Американского химического общества (1991). «Начальные этапы травления поверхности кремния Si110 2x1 нормальными падающими атомами фтора с энергией 3,0 эВ: исследование молекулярной динамики». Журнал Американского химического общества. 113 (22): 8221. Дои:10.1021 / ja00022a005.
  16. ^ Я. Кюпперс (1995). «Химия водородной поверхности углерода как материала, обращенного к плазме». Отчеты по науке о поверхности. 22 (7–8): 249–321. Bibcode:1995 СурСР..22..249К. Дои:10.1016/0167-5729(96)80002-1.
  17. ^ Э. Салонен; Nordlund, K .; Keinonen, J .; Wu, C .; и другие. (2001). «Быстрое химическое распыление аморфного гидрогенизированного углерода». Физический обзор B. 63 (19): 195415. Bibcode:2001ПхРвБ..63с5415С. Дои:10.1103 / PhysRevB.63.195415.
  18. ^ Farnsworth, H.E .; Schlier, R.E .; Джордж, Т. Н .; Бургер, Р. М. (1955). «Ионная бомбардировка-Очистка германия и титана, как определено дифракцией электронов низких энергий». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 26 (2): 252–253. Дои:10.1063/1.1721972. ISSN  0021-8979.
  19. ^ Farnsworth, H.E .; Schlier, R.E .; Джордж, Т. Н .; Бургер, Р. М. (1958). «Применение метода очистки ионной бомбардировкой к титану, германию, кремнию и никелю, как определено с помощью дифракции электронов низких энергий». Журнал прикладной физики. Издательство AIP. 29 (8): 1150–1161. Дои:10.1063/1.1723393. ISSN  0021-8979.
  20. ^ Г.С. Андерсон и Роджер М. Мозесон, «Метод и устройство для очистки с помощью ионной бомбардировки», Патент США № 3233137 (подана 28 августа 1961 г.) (1 февраля 1966 г.)
  21. ^ «Мишени для распыления | Тонкие пленки». Admat Inc. Получено 2018-08-28.

внешняя ссылка