t
!
$
Оглавление
Введение...........................................................................4
* Актуальность темы................................................................4
Цели и задачи работы.............................................................5
/ Научная новизна..................................................................6
л Достоверность....................................................................6
( Практическаязначимость...........................................................7
Основные положения, выносимые на защиту..........................................7
Апробация работы.................................................................8
* Список публикаций но теме работы.................................................9
Личный вклад автора.............................................................10
Объем и структу ра диссертации..................................................10
< Глава 1. Обзор литературы. Экспериментальные данные по распылению
двухкомпоненгных соединений и сплавов.............................................11
? 1.1. Введение...................................................................11
I 1.2. Состав поверхности, коэффициент распыления-........................... ...12
1.2.1. Процесс установления состава поверхности...............................12
у 1.2.2. Глубина измененного слоя, распределение состава по глубине.............15
1.2.3. Соотношение масс атомов компонент мишени...............................16
1.2.4. Концентрации компонент.................................................19
1.2.5. Температура мишени.....................................................20
1.2.6. Соотношение масс бомбардирующего иона и атомов мишени..................21
} 1.2.7. Энергетическая зависимость.............................................23
1.3. Энергетические спектры распыленных атомов..................................27
1.4. Угловые распределения распыленных атомов...................................29
1.4.1. Поликристаллы..........................................................29
1.4.2. Монокристаллы..........................................................30
1.5. Выводы к главе 1...........................................................33
Глава 2. Методика моделирования распыления бинарных соединений....................35
2.1..Физическая модель..........................................................35
2.2. Численные методы при моделировании распыления..............................38
2.3. Численные методы нахождения минимума функции нескольких переменных 43
2.4. Алгоритм построения моделей мишени.........................................44
2.5. Потенциалы взаимодействия..................................................47
2.6. Нахождение параметров потенциала взаимодействии............................52
2.7. Данные численного эксперимента.............................................56
2.8. Выводы к главе 2...........................................................57
Глава 3. Процесс распыления неупорядоченного соединения №Р&.......................58
3.1. Введение...................................................................58
3.2. Методика моделирования.....................................................62
I 3.3. Закономерности распыления соединений 1\1-Р(1 с разным содержанием компонентбЗ
3.3.1. Никель и палладий......................................................63
3.3.2. Сплавы никеля с палладием..............................................65
; 3.4. Влияние состава поверхностных слоев кристалла 1Ч1Р<1 на процесс его распыления
................................................................................69
3.4.1. Зависимость распыления моно- и поликристалла 1Ч1Рс1 от энергии облучающих ионов.........................................................................69
3.4.2. Угловая зависимость распыления грани (001) ЭДРс! для разного состава поверхностных слоев...........................................................72
3.4.3. Энергетические спектры.................................................75
3.4.4. Источник распыления....................................................76
) 2
3.4.5. Поколения распыленных частиц............................................79
3.4.6. Глубина выхода распыленных частиц.......................................81
3.5. Особенности энергетической зависимости распыления 1Ч1Рс1 и его компонент для различных углов ионного облучении..............................................82
3.5.1. Энергетическая зависимость распыления ЭДРс! при разных углах ионного облучения..................................................................82
3.5.2. Энергетическая зависимость распыления компонент монокристалла №Рс1 86
3.5.3. Изменение с энергией ионов отношения выхода атомов никеля к палладию при распылении 1Ч1Р<1..........................................................89
3.6. Выводы к главе 3............................................................91
Глава 4. Радиационная устойчивость упорядоченных бинарных соединений РЬТе и РЬ8е ...................................................................................95
4.1 .Введение....................................................................95
4.2. Методика расчета............................................................97
4.3. Энергетическая зависимость распыления элементов, входящих в соединения 97
4.3.1. Распыление свинца.......................................................98
4.3.2. Распыление теллура и селена............................................103
4.4. Закономерности распыления сплавов..........................................104
4.4.1. Угловая зависимость....................................................104
4.4.2. Энергетическая зависимость.............................................107
4.5. Выводы к главе 4...........................................................110
Глава 5. Пространственное распределение частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных соединений................................................112
5.1.Введени е...................................................................112
5.2. Особенности пространственного распределения распыленных атомов из неупорядоченного сплава М1Рс1............................................... 113
5.2.1. Распределение распыленных частиц но полярному углу вылета..............113
5.2.2. Азимутальные угловые распределения.....................................116
5.2.3. Картина пятен..........................................................117
5.3. Закономерности пространственных распределений частиц, распыленных из упорядоченных соединений РЬТе и»РЬ8е..........................................121
5.3.1: Полярные распределения.................................................121
5.3.2. Азимутальные угловые распределения.....................................122
5.3.3. Картина пятен..........................................................123
5.4. Выводы к главе 5........................................................ 126
Выводы............................................................................129
Благодарность.....................................................................131
Список литературы.................................................................132
Введение
Актуальность темы
В настоящее время возрос интерес к исследованию процесса ионного распыления твердых тел. Это связано как с необходимостью решения фундаментальных вопросов взаимодействия ионов с поверхностью, так и с быстрым ростом практического использования распыления для модификации и анализа состава различных материалов.
Ионная бомбардировка сопровождается сложными процессами в приповерхностной области мишени, изменяющими ее структуру и состав. Эти изменения, с одной стороны, является нежелательным эффектом, приводящим к систематическим ошибкам при диагностике поверхности; с другой стороны, они составляют важный элемент технологии создания модифицированных слоев. И в том и в другом случае, необходимо четкое понимание механизмов' и особенностей протекания ионно-стимулированных процессов вблизи поверхности твердых тел, и в частности, бинарных соединений, которые широко применяются на практике.
Особый интерес для исследования физики взаимодействия- ионов с поверхностью твердого тела представляют бинарные ферромагнитные неупорядоченные соединения ЬП-Рб, которые используются в микроэлектронике и в медицине, например, при развитии методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании необходимых участков для локального нагрева. Большое внимание уделяется также бинарным упорядоченным соединениям - РЬТе и РЬБе, которые имеют широкое практическое использование: при создании
фоторезисторов, работающих в инфракрасной области спектра, в производстве термоэлектрических генераторов и др. РЬБе применяется также в солнечных батареях. Поскольку в ряде применений РЬТе и РЬБе подвергаются ионному облучению, важно исследовать процесс их распыления. Помимо этого, исследование процессов при ионном облучении упорядоченных биметаллов РЬТе и РЬБе, имеющих простую кубическую решетку, представляет несомненный
интерес с физической точки зрения. Процессы, происходящие при ионной бомбардировке таких соединений (и в частности, анизотропия распыления), никогда не рассматривались ранее. Необходимо отметить важность исследования механизмов ионного распыления бинарных соединений для развития современного метода анализа состава поверхности - метода ВИМС (вторичноионной масс-спектрометрии). Для совершенствования метода ВИМС и увеличения его разрешающей способности необходимо детальное теоретическое и модельное исследование процесса ионного распыления.
Вследствие значительных трудностей, возникающих при теоретическом исследовании взаимодействия ионов с атомами мишени для peIIIeниЯi как фундаментальных, так и прикладных задач, часто используется математическое моделирование. В настоящей работе поставленные задачи решались методом молекулярно-динамического (МД) моделирования. Были созданы и апробированы модели мишеней и методика численного расчета ионного распыления твердых тел с минимальной затратой машинного времени. МД моделированием исследованы различные аспекты ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (М1-Рс1) и упорядоченной (РЬТе и РЬБе) структурой, имеющих большое практическое применение:
Цели и задачи работы
Целью работы являлась изучение особенностей эмиссии атомных частиц при ионном облучении двухкомпонентных соединений методами МД моделирования. Для достижения этой цели были поставлены.следующие задачи:
- разработка МД программы расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений;
- изучение угловых и энергетических распределений частиц, распыленных из неупорядоченных сплавов никеля с палладием с разным содержанием компонент;
- определение условий радиационной устойчивости упорядоченных бинарных соединений РЬТе и РЪБе в процессе их распыления, построение угловых и энергетических распределений распыленных частиц;
- выявление особенностей пространственных распределений частиц, распыленных из неупорядоченных и упорядоченных двойных сплавов.
Научная новизна.
1. Разработаны физические модели и математическая МД модель прогнозирования изменений физических свойств бинарных соединений в зависимости от ионного распыления поверхности, позволяющие получать качественное и количественное согласие с экспериментальными данными.
2. Установлены физические свойства распыления неупорядоченных монокристаллов М-Рё с неизменённым составом поверхностных слоев и с учетом сегрегации при нормальном и наклонном падении ионов аргона в широком диапазоне энергий.
3. Выявлены факторы, определяющие форму угловых, пространственных и энергетических распределений частиц, распыленных из кристаллов неупорядоченных соединений ЫьРё.
; 4. Впервые исследованы угловые зависимости и пространственные
распределения распыленных атомов, выходящих из моно- и поликристаллов упорядоченных бинарных соединений РЬТе и РЬ8е с простой кубической решеткой под воздействием облучения ионами Аг+ с энергией от 0.1 до 60 кэВ. Определены механизмы, влияющие на закономерности их распыления.
Достоверность.
Достоверность разработанной физической и математической МД модели
Г
распыления бинарных соединений и сделанных на ее основе расчетов подтверждается качественным и количественным согласием расчетных и экспериментальных данных.
*
6
Практическая значимость.
1. Созданы модели мишеней и методика расчета распыления кристалла, позволяющие сократить время достоверного численного эксперимента в 2-4 раза по сравнению с обычным полным молекулярно-динамическим рассмотрением.
2. Установленные закономерности распыления ферромагнитных соединений М-Рс1 важны при их использовании в микроэлектронике, медицине, например, при совершенствовании методов магнитно-резонансной томографии и фиксировании участков для локального разогрева.
3. Обнаружены особенности распыления: соединений ЬН-Рс1. с разным содержанием компонент, которые следует использовать при совершенствовании количественного ВИМС анализа твердого тела...
4. Полученные результаты по ионному распылению полупроводниковых соединений РЬТе и РЬЭе, важны для. конструирования солнечных батарей, а также при создании фоторезисторов, используемых, например, при создании спектральных аналитических приборов регистрации в атмосфере опасных концентраций СО, С02 и ряда органических соединений.
Основные положения^ выносимые на защиту
При исследовании ионного распыления бинарных соединений с неупорядоченной (Ы\-Рд) и упорядоченной (РЬТе и РЬБе) структурой впервые получены следующие результаты.
1. Угловая зависимость коэффициента распыления У(а) соединений №Р<1, РЬТе и РЬЯе качественно различается для кристаллов с ПК и ГЦК решеткой, а также при распылении быстрыми и медленными ионами. Для быстрых ионов наблюдаются обычные минимумы. У(а) в направлениях открытых каналов кристаллической решетки. Для медленных ионов минимумы в направлениях открытых каналов пропадают, и возникают максимумы в направлениях плотной упаковки.
2. Энергетическая зависимость коэффициента распыления У(Е0) поликристаллов соединений №Рс1 и РЬТе имеет максимум при энергии £0ионов аргона, равной 40 кэВ, что совпадает с данными для других мишеней. Для грани (001)
монокристаллов NiPd максимум Y(Eq) расположен при Eq ~ 2 кэВ, а для РЬ, РЬТе и PbSe при более высокой энергии Ео ~ 15 кэВ, что объяснено особенностью распыления атомов большой массы. При наклонном падении ионов на монокристаллы NiPd и РЬТе происходит сдвиг максимумов. У(Ео) в сторону больших энергий, по сравнению со случаем нормального падения;
3. Пространственные распределения распыленных атомов (картина пятен), для монокристаллов бинарных соединений NiPd и РЬТе, характеризуются преимущественным выходом компонентов в одних и тех же направлениях плотной упаковки (<011> и <001>) и качественно меняются с энергией и углом падения облучающих ионов. Картина пятен при одинаковых условиях облучения различается для кристаллов NiPd (ГЦК-решетка) и РЬТе (ПК-решетка).
4. Полярное распределение атомов, распыленных с грани (001) упорядоченного монокристалла РЬТе с простой кубической решеткой; зависит от энергии Е\ выходящих, частиц и различается для атомов Те и РЬ. Вблизи направления [011] эмитируют атомы с малыми энергиями (Е\ = 10 эВ), что характерно для фокусированных столкновений. Для частиц с энергией Е\ = 30 эВ происходит выход атомов при больших полярных углах, когда частицы распыляются из поверхностных слоев после малого числа столкновений;!
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 17-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью»,
г. Звенигород, 2005 г.;
2. 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 2005;
3. 18-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2007 г.;
4. 19-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2009 г.;
8
5. 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa, ltapema, SC - Brazil, 10-15 April, 2011;
6. 20-й Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Звенигород, 2011 г.
Список публикаций по теме работы
1. А.С.Мосунов, К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Особенности
распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент // Труды 17-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2005, Звенигород. Т. Г. С. 143-146.
2. A.S.Mosunov, J.S.Colligon, K.A.ToIpin, M.Yu.Tolpina, V.E.Yurasova. Sputtering of Ni-Pd alloys with varying ratio of components // Abstracts of 5th Iberian Vacuum Meeting RIVA 5-Portugal, 18-21 September 2005. P. 15.
3. А.С.Мосунов, К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Особенности
распыления сплавов Ni-Pd с разным содержанием компонент // Поверхность -рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. № 7. С. 13-17.
4. К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Влияние состава поверхностных слоев кристалла NiPd-на процесс его распыления // Труды- 18-ой Мёждународной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2007, Звенигород. Т. 1. С. 201-204.
5. К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Влияние состава поверхностных слоев монокристалла NiPd на закономерности его распыления. // Поверхность -рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 5. С. 17-24.
6. К.А.Толпин, М.Ю.Толпина, В.Е.Юрасова. Пространственное и энергетическое распределение частиц, распыленных из монокристалла NiPd. // Труды 19-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИП-2009. Звенигород. Т. 1. С. 164-167.
7. К.А. Tolpin, Yu.A. Ryzhov, V.E. Yurasova. Spatial and energy distributions of particles sputtered from NiPd single crystals. // Vacuum. 2009. V. 84. 3. P 369-377.
9
8. K.A. Tolpin, VI. Bachurin, VE. Yurasova. Feature of energy dependence of NiPd sputtering for different ion irradiation angles. // Abstract for 20th International Conference on Ion Beam Analysis, Plaza Itapema Resort & Spa, Itapema, SC - Brazil, 10-15 April, 2011.PA2.
9. В.И. Бачурин, А.П. Кузьменко, КА. Толпин, В.Е. Юрасова. Пространственные распределения частиц, распыленных из монокристаллов NiPd и РЬТе. // Известия Юго-Зап. Гос. Унив. 2011. №1. - С. 89-98.
10. КА. Толпин, В.И. Бачурин, В.Е. Юрасова. Радиационная устойчивость РЬТе и PbSe бинарных соединений, Труды 20-ой Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», ВИЦ-2011, Звенигород. Т. 1. С. 117-120.
Личный вклад автора
Разработана молекулярно-динамическая программа расчета ионного распыления двухкомпонентных соединений, выполнен весь объем расчетов, построены угловые, энергетические и- пространственные зависимости частиц, распыленных из двухкомпонентных соединений, проведены сравнения их с известными экспериментальными данными.
Объем и структура диссертации
Работа содержит 150 страниц текста, включая 64 рисунка и библиографию из 213 наименований. По теме диссертации опубликовано 10 работ, список которых приведен в конце введения.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов.
10
Глава 1. Обзор литературы..Экспериментальные данные по распылению двухкомпонентных соединений и сплавов
1.1. Введение
К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по распылению однокомпонентных веществ пучками ионов, а существующие теории удовлетворительно описывают многие экспериментальные результаты. Распыление двух- и многокомпонентных мишеней исследуется лишь в течение последних десятилетий. Интерес к этой проблеме все' возрастает, благодаря быстрому развитию тонкопленочной технологии, микроэлектроники, современных методов анализа поверхности и др., где используется распыление многокомпонентных твердых тел. Для таких веществ различные компоненты, входящие в сплав или соединение, обладают разными коэффициентами распыления, в результате чего состав поверхности, подвергнутой ионной бомбардировке, изменяется по сравнению с объемом. При этом индивидуальные коэффициенты распыления компонент сплава или соединения отличаются в большинстве случаев, от коэффициентов распыления соответствующих чистых элементов. Эффект различного распыления = компонент соединения получил название преимущественного или селективного распыления.
Хотя сейчас еще нет достаточно ясного понимания механизма распыления сплавов и соединений, накопленный материал позволяет выделить некоторые общие черты, характеризующие этот процесс.
Явление преимущественного распыления исследовалось в основном для соединений и сплавов, состоящих из двух компонент. Было установлено, что характер распыления существенно различается для двух групп веществ. В первую группу входят бинарные соединения и однофазные сплавы, где атомы обеих компонент в среднем равномерно распределены по объему (за исключением дефектных участков, границ зерен и т. д.). К числу таких сплавов принадлежат, например, Си-Р^ Ag-Pd, Ag-Au, Си-Аи, Си-М, Си-Мц Pd-Ni и
др. Ко второй группе относятся двухфазные несмешиваемые сплавы, в которых каждое зерно состоит из двух областей, занятых первой и второй компонентой (например, сплавы Ag-Cu, Ag-Co, Ag-Ni).
В настоящем обзоре рассматриваются закономерности распыления однофазных сплавов и некоторых бинарных соединении и лишь кратко описаны особенности распыления двухфазных систем.
1.2. Состав поверхности, коэффициент распыления
1.2.1. Процесс установления состава поверхности
В экспериментах по исследованию преимущественного распыления соотношение между индивидуальными коэффициентами распыления компонент определяется, как правило, путем измерения состава распыляемой поверхности в установившемся состоянии. Такое состояние достигается после некоторого переходного периода, в течение которого происходит непрерывное изменение состава поверхности [1—6]. Это изменение продолжается до тех пор, пока состав распыленного вещества не станет таким, как состав исходного образца до распыления. Тогда концентрация компонент в поверхностном слое в установившемся состоянии будет определяться соотношением с[ /с[ =У2/У\- с"/с\ , где с[ и с\ — концентрация 1-го и 2-го элемента на поверхности, с,й и с* — то же для объема, а К, и К2 — соответствующие коэффициенты распыления элементов. Типичный ход изменения состава поверхности со временем распыления показан на рис. 1.1 для сплава Си — N1 [1].
Заметим, что здесь и далее для определения состава поверхности чаще используется метод оже-электронной спектроскопии, имеющий глубину анализа в несколько атомных слоев. В. некоторых работах применяется метод обратного резерфордовского рассеяния с большой глубиной анализа (сотни — тысячи А), метод рассеяния медленных ионов, определяющий состав в самом верхнем слое и
др.
12
N1,0(11.7# Си,от.7.
мин
Рис. 1.1 — Изменение состава поверхности сплава медь - никель со временем распыления при бомбардировке ионами аргона, 500 эВ, 15 мкА/см2 [1]
/*А§
Рис. 1.2 — Изменение состава пленки в процессе напыления (измеренное по интенсивности оже-пиков Ag и Аи) для начальной стадии распыления сплава Ag—Аи. Концентрация 1014 ат/см2 в пленке соответствует распылению - 8 слоев мишени [6]. 100 кэВ Аг’ Ag—Аи
13
- Київ+380960830922