Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию методом численного моделирования процессов распыления монокристаллов меди и различных модификаций монокристаллического нитрида бора (гексагональная, ромбоздрігческая, кубическая).
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Распыление поверхностей твердых тел ионным пучком широко применяется для модификации и анализа поверхности и для нанесения тонких пленок. Изучение этого явления необходимо также для решения проблемы разрушения конструкционных материалов плазменных приборов. И в том и в другом случае исследование распыления призвано помочь оптимизировать параметры научных и производственных установок и устройств.
С другой стороны, процессы, происходящие при облучении твердого тела ионами (распыление, ионное внедрение и образование дефектов) являются интересным для фундаментальной физики примером одновременного взаимодействия многих атомных частиц между собой при энергиях от долей эВ до десятков эВ. Сопоставление экспериментальных данных по распылению и результатов расчета распыления на основе различных физических моделей взаимодействия атомных частиц дает возможность проверки и дальнейшего развития этих моделей.
Раніше компьютерные исследования ограничивались, в основном, изучением процесса распыления плогноунакованных структур с помощью модели парных соударений. С развитием вычислительной техники стало возможным применение наиболее строгого метода расчета - метода молекулярной динамики - и основанных на нем приближенных методов. Разработка, обоснование и тестирование этих методов представляет собой интересную и важную задачу, находящуюся на стыке вычислительной математики и физики.
Особый интерес как для теории, так и для технологии получения топких пленок представляет исследование распыления материалов медленными ионами. В настоящей работе такое исследование проведено для одно- и двухкомпонентных монокристаллов. Наибольшее внимание уделено нитриду бора, который образует модификации с гексагональной, ромбоэдрической, и алмазной решетками. Нитрид бора - это перспективный высокотемпературный изолирующий материал, например, для плазменных установок.
В связи с этим интересно провести численный расчет процессов взаимодействия ионных пучков с мишенями из различных кристаллографических модификаций нитрида бора и получить количественные данные для
коэффициентов распыления и для углового и энергетического распределешш распыленных частиц как для нормального, так и для наклонного падения ионного пучка на распыляемую грань.
1. Разработать и реализовать приближенный метод компьютерного расчета
распыления, основанный на методе молекулярной динамики и позволяющий
существенно сократить время счета.
2. Подобрать модель учета взаимодействия атомов при распылении
монокристалла меди, обеспечивающую согласие с экспериментальными данными по
энергетическим и пространственным распределениям распыленных атомов и по
коэффициентам распыления.
-
Исследовать влияние величины поверхностного потенциального барьера на направления выхода распыленных атомов.
-
На основе выбранной модели получить энергетические распределешш атомов в приповерхностных слоях монокристалла меди при ионной бомбардировке.
5. Приметіть полученные энергетические распределения атомов в
монокристалла меди при ионной бомбардировке для объяснения влияния
вспомогательного ионного пучка на структуру растущей пленки в методе ионно-
стимулироваїшого осаждения.
6. Рассчитать коэффициенты распыления, а также пространственные и
энергетические распределения распыленных атомов для монокристаллов нитрида
бора различной структуры, в том числе для кубической модификации, при
различных углах падения ионов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА В работе впервые получены следующие результаты:
Предложено и реализовано приближение к методу молекулярной динамики, позволяющее существенно сократить время счета и не использующее расщепление каскада столкновений па отдельные ветви.
Подобрана модель учета взаимодействия атомов при распылении монокристалла меди, обеспечивающая согласие с экспериментальными данными по энергетическим и пространственным распределениям распыленных атомов и по коэффициентам распыления.
Получены энергетические распределения атомов в приповерхностных слоях монокристалла меди при облучении ионами аргона низких энергий.
Обнаружен узкий пик в распределениях при энергии, равной примерно половіте энергии ионного пучка.
Рассчитаны энергетические и пространственные распределения
распыленных атомов и коэффициенты распыления при бомбардировке ионами аргона кэВных энергий монокристаллов нитрида бора различной структуры (кубического, гексагонального, и ромбоэдрического), включая наклонное падение. Установлено, что при некоторых азимутальных углах в пространственных распределениях распыленных атомов при бомбардировке наклонным ионным пучком грани (0001) гексагонального нитрида бора возникает значительная аномалия (радиальная полоса при больших полярных углах), образованная атомами отдачи второго поколения.
- Обнаружено отличие механизмов распыления кубического нитрида бора от распыления других модификаций (гексагональной и ромбоэдрической). Показано существование каналирования выбитых атомов между слоями (0001) в гексагональном и ромбоэдрическом нитриде бора.
Предложен физически обоснованный и эффективный приближенный метод расчета распыления. Написана реализующая этот метод программа па языке FORTRAN.
Исследовано влияние плоского поверхностного барьера на направления выхода распыленных атомов из грани (001) монокристалла меди. Установлен механизм формирования пространственных распределений.
Предложен способ оценки эффективности воздействия ионного пучка на структуру пленок, выращиваемых методом имшо-стимудированного осаждения, на основе моделирования движєішя атомов пленки. Объяснено экспериментально наблюдаемое существование оптимальной энергии ионов вспомогательного пучка. Полученные результаты могут быть использованы для выбора оптимальных параметров ионного пучка при выращивании тонких пленок методом ионно-стнмулированного осаждения.
Рассчитаны шпеградыгые и дифференциальные характеристики распыления диэлектрика с ушгкальными свойствами - моїюкристаллического нитрида бора трех модификаций, при различных углах падения ионов.
При наклошюм падении разница в коэффициентах распыления для различных модификаций слабее, чем при нормальном падении; гексагональный нитрид бора оказывается наиболее радиационно стойкой модификацией лишь в диапазоне энергий 1-3 кэВ, а при более высоких энергиях радиационная стойкость
ромбоэдрическое іштрида бора выше. Этот результат следует учитывать при выборе материалов для использования в плазменных установках.
Предсказаны особенности картин распыления гексагонального, ромбоэдрического, и кубического нитрида : бора, включая случай наклонного падения. Обнаружена особенность (асимметричная радиальная полоса при больших полярных углах) при распылении гексагонального нитрида бора, возникающая при некоторых направлениях пучка первичных ионов. Этот результат важно учитывать при выращивании тонких пленок методом распыления. Установлено, что эта аномалия в пространствеїшьіх распределениях образован атомами отдачи второго поколения.
Проанализированы механизмы формирования пространственных распределений. Показано, что для граней (0001) гексагонального и ромбоэдрического нитрида бора определяющим является поверхностный механизм, в отличие от случая распыления грани (111) кубического BN, где расположение атомов во втором слое оказывает влияние на пространственные распределения.
-
Физически обоснованное и эффективное приближение к методу молекулярной динамики может быть построено на основе отслеживания траекторий только быстрых атомов без расщепления каскада на отдельные ветви, так что весь процесс развития каскада столкновений рассчитывается в едином масштабе времени;
-
Количество атомов отдачи в верхнем слое (в расчете на один ион), получающих энергию выше заданного порога, рассчитанное путем моделирования, можно использовать для оценки эффективности вспомогательного ионного пучка при выращивания пленок методом ионно-стимулпровашюго осаждения;
-
Влияние плоского поверхностного барьера на выход атомов из грани (100) монокристалла меди при распылении ионами аргона кэВных энергий заключается в основном в исключении медленных атомов, выходящих вблизи нормали к поьерхности, а не в отклонении атомов от центра к краям распределения, как было принято считать.
-
Вид пространственных распределений при распылении грани (100) монокристалла меди медленными (единицы кэВ) ионаші аргона при нормальном падении определяется поверхностным механизмом, то есть отклонением выходящих атомов верхнего слоя на их соседях в верхнем слое.
-
При наклонном падении коэффициент распыления графитоподобных модификаций монокристаллов нитрида бора многократно возрастает по сравнению
со случаем нормального падения; максимумы в энергетической зависимости коэффициента распыления сдвигаются в сторону более высоких энергий.
6. Вид пространственных распределений при распылении граней (0001) гексагонального и ромбоэдрического нитрида бора медленными (единицы кэВ) ионами аргона при нормальном и наклонном падении определяется поверхностным механизмом; напротив, в случае грани (111) кубического нитрида бора расположение атомов во втором слое существенно влияет на направления выхода распыленных атомов.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, Россия, 1995) и на XVI Международной конференции по атомным столкновениям с твердым телом (Линц, Австрия, 1995), и на 6-й Европейской конференции по методам и применениям анализа поверхностей и границ раздела (6th European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis, Montreux, Switzerland). Эти результаты опубликованы в работах [1-131-
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения. Работа содержит 148 страїшц машинописного текста и 69 рисунков. Список литературы насчитывает 218 наименований.
