Введение к работе
Актуальность темы. Важная роль, которую играет явление распыления в различных областях науки и техники обусловливает устойчивый рост внимания многочисленных исследователей к проблемам этого направления физики поверхности. Распыление широко используется как составная часть разнообразных технологических процессов в микроэлектронике. Знания о фундаментальных закономерностях, лежащих в основе этого явления, необходимы для решения проблем космического материаловедения, вопросов, связанных с выбором конструкционных материалов при создании различного рода плазменных устройств и приборов, консервации радиоактивных отходов. Повышенный интерес к проблемам физики распыления в настоящее время в немалой степени определяется все более широким применением методов элементного поверхностного анализа твердых тел и тонких пленок, основанных на регистрации распыленного вещества при ионной бомбардировке исследуемых образцов, например: масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ) или распыленных нейтралей (МСРН), которые обладают рекордной чувствительностью. Однако, недостаточное понимание фундаментальных процессов, которые развиваются на поверхности и в приповерхностной области многокомпонентных твердых тел при ионной бомбардировке, а также их влияния на формирование потока распыленного вещества, не позволяет в полном объеме использовать преимущества этих уникальных методов. Отсутствие на сегодняшний день удовлетворительной теории распыления многокомпонентных материалов препятствует созданию на основе МСВИ и МСРН количественных методов анализа, что является сильным сдерживающим фактором их более широкого применения.
Предлагаемые анагагтические модели распыления сплавов и изотопных систем пытаются объяснить разные аспекты этого явления и требуют надежной экспериментальной проверки. Наиболее полная информация о фундаментальных процессах, приводящих к эмиссии вторичных частиц при ионной бомбардировке многокомпонентных материалов, заключена в дифференциальных характеристиках: пространственных и энергетических распределениях распыленных частиц. Главной особенностью распыления мишеней сложного элементного состава является преимущественная эмиссия атомов одного из компонентов. Такая селективность приводит к нестехиометрическому распылению при малых дозах ионной бомбардировки, когда состав распыленного вещества не соответствует объемным концентрациям элементов сплава. Это в свою очередь, инициирует формирование приповерхностного слоя с измененным составом. С увеличением дозы облучения, в силу закона сохранения вещества мишени, устанавливается соответствие распыленного потока объемному составу. Однако, это не означает, что восстанавливается стехнометрическое распыление дифференциально по углу эмиссии. Таким образом, пространственная структура потоков распыленных атомов разных компонентов сплава и их угловые .распределения могут различаться. В опубликованной литературе представлена чрезвычайно ограниченная информация по экспериментальным исследованиям пространственых распределении вторичных частиц, распыленных из многокомпонентных материалов. В основном, в экспериментах используются бинарные сплавы. По многим принципиальным вопросам формирования пространственной структуры потоков вторичных частиц, влияния изменения состояния поверхности мишени под действием ионной бомбардировки на доминирующие закономерности эмиссии атомов разных компонентов нет даже качественного согласия. В немалой степени, это связано с
отсутствием надежных экспериментальных данных по многим критическим для апробации аналитических моделей вопросам. Все это определяет актуальность дальнейших исследований пространственных распределений вторичных частиц, распыленных из многокомпонентных мишеней, и их связи с состоянием облученной поверхности.
Целью работы являлось:
исследование пространственных распределений вторичных частиц, распыленных из поликристаллических сплавов при бомбардировке ионами разного типа;
изучение влияния ионного облучения на поверхностный состав многокомпонентной мишени;
выяснение возможного влияния формирующегося вследствие ионной бомбардировки измененного поверхностного слоя на закономерности распыления разных компонентов сплава и их пространственную структуру распределения по углу эмиссии;
экспериментатьная проверка современных аналитических моделей распыления многокомпонентных твердых тел.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Дозовьш характер формирования поверхностного измененного слоя при ионной бомбардировке бинарного поликристаллического сплава NiTi.
-
Эффект нестехиометрического распыления сплава NiTi. Зависимость состава распыленного потока от направления эмиссии вторичных частиц.
-
Динамика преобразования пространственной структуры распределения состава распыленного потока в процессе перехода к состоянию стационарного распыления с увеличением дозы облучения и формированием равновесного измененного слоя бинарного сплава NiTi.
Влияние дозы ионной бомбардировки и изменения в поверхностном составе двойного сплава на форму угловых распределений и относительный выход распыленных компонентов.
-
Модель влияния поверхностных несимметричных столкновений эмитируемых вторичных частиц на формирование пространственной структуры распределения потоков распыленных компонентов при ионной бомбардировке двойного сплава.
-
Эффект нестехиометрического распыления по углу эмиссии трех-компонентного поликристашшческого сплава NiMoRe. Явление пространственного перераспределения состава распыленного вещества и изменение формы угловых распределений эмитируемых компонентов в зависимости от типа бомбардирующих ионов. Модель влияния обратнорассеянных в приповерхностном слое мишени бомбардирующих частиц на формирование пространственной структуры распыленного потока.
Научная новіана. В диссертации проведено комплексное исследование пространственных распределений распыленных элементов и влияния ионной бомбардировки на состав поверхности при распылении двух-и трехкомпоненгных материалов. Экспериментально изучены эффекты * нестехиометрического распыления бинарного и тройного поликристаллических сплавов. Дозовый характер формирования поверхностного слоя измененного состава позволил впервые изучить динамику изменения пространственного распределения состава распыленного потока в процессе переходного периода к состоянию стационарного распыления. Анализ полученных в работе данных позволил установить связь между составом распыляемой поверхности и угловыми распределеншми компонентов сплавов. Впервые экспериментально обнаружен эффект пространственного перераспределения состава распыленного из полиатомной мишени вещества в зависи-
мости от типа бомбардирующих ионов. Изучено влияние различных механизмов на формирование угловых распределений распыленных компонентов и предложены модели для описания экспериментально наблюдаемых эффектов. Проведена проверка современных аналитических моделей распыления многокомпонентных материалов на основе результатов экспериментов.
Нал'чная и практическая значимость работы определяется широким кругом проблем фундаментальных и прикладных аспектов физики распыления поверхности твердых тел, разрешению которых могут способствовать основные результаты диссертации. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для проверки и разработки новых теоретических моделей распыления полиатомных мишеней. Впервые обнаруженная дозовая зависимость нестехиометричности распыления поликристаллических сплавов проясняет влияние возникающего измененного поверхностного слоя на закономерности эмиссии атомов и роль доминирующих механизмов в формировании пространственной структуры распыленного потока. Впервые отмеченный сильный массовый эффект при распылении полиатомной міппеші, выражающийся в нзмененші формы угловых распределений распыленных компонентов и смене преимущественно эмитируемого по нормали к поверхности элемента сплава при бомбардировке ионами разного типа, возможно объясняет многообразие противоречивых экспериментальных результатов разных авторов, работающих с одинаковыми типами сплавов. Результаты изучения зависимости стехиометрии распыленного потока от угла эмиссии, дозы облучения, типа бомбардирующих ионов и состава мишени необходимы для разработки количественных методов анализа и создания аппаратуры для диагностики и модификации поверхности, а также имеют принципиальное значение для совершенствования
технологии процесса напыления пленок, где распыление используется как инструмент для получения осаждаемого материала заданного состава.
Апробация работы:
Основные результаты диссертации докладывались на научном семинаре "Твердотельная электроника" кафедры физической электроники, на XI Конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Москва, 1993г. и на 24 Межнациональном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 1994г.
Объем и структура работы:
Диссертация состоит m введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 108 наименований. Содержание работы изложено на 159 страницах машинописного текста, иллюстрируется 51 рисунком и 6 таблицами.
