Pulverización de iones

La pulverización iónica es la emisión de átomos desde la superficie de un sólido cuando es bombardeado por partículas neutras o cargadas pesadas. Cuando se trata del bombardeo de un electrodo cargado negativamente ( cátodo ) con iones positivos , también se utiliza el término "pulverización catódica".

Historial de descubrimientos

La pulverización iónica fue descubierta en 1852 por W. R. Grove , quien intentaba establecer una analogía entre la electrólisis y la "electrificación" de un gas.

Inicialmente, algunos investigadores llamaron a este fenómeno "evaporación eléctrica", ya que en los tubos de descarga de gas los electrodos metálicos se "evaporaban" a temperaturas muy inferiores a las suficientes para ello. Posteriormente, al proceso de destrucción y pulverización catódica de metales en los tubos de descarga de gases se le dio el nombre de "pulverización catódica", ya que principalmente el material catódico se depositaba en las paredes de los tubos [1] .

El mecanismo físico de la pulverización catódica

Las partículas pesadas entrantes (la mayoría de las veces iones) con una energía cinética superior a un cierto umbral eV, que chocan con la superficie, pueden provocar la emisión de átomos y moléculas del objetivo. A energías de varios cientos de electronvoltios, el ion incidente transfiere energía simultáneamente a muchos átomos objetivo, que, a su vez, chocan con otros átomos de la sustancia. Al final de una serie de colisiones, se produce una distribución de energía de equilibrio local de los átomos con una energía promedio igual o mayor que la función de trabajo de un átomo desde la superficie. La mayoría de los átomos que tomaron parte en la cascada de colisiones quedan ligados en el sólido, pero uno o más pueden abandonar la superficie [2] . ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }=20...50$ ${\mathcal {E}}_{t}$

Para la emisión de un átomo desde la superficie, es necesario, en primer lugar, que tenga una energía no menor que , y, en segundo lugar, un vector de velocidad dirigido hacia afuera desde la superficie. Para que se cumplan estas condiciones, la partícula incidente debe transferir su impulso a al menos varios átomos objetivo (al menos tres). En este sentido, la energía umbral mínima de una partícula incidente para la pulverización excede la función de trabajo en aproximadamente un orden de magnitud. ${\mathcal {E}}_{t}$ ${\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$

Coeficiente de pulverización

Coeficientes de pulverización catódica de algunos metales y compuestos tras la irradiación con iones Ar + con una energía de 600 eV

material objetivo	${\ estilo de visualización \ gamma _ {\ mathrm {salir}}}$
Alabama	0.83
Si	0.54
Fe	0.97
co	0.99
Ni	1.34
cobre	2.00
ge	0.82
W	0.32
Au	1.18
Al2O3 _ _ _	0.18
SiO2 _	1.34
GaAs	0.9
Sic	1.8
SnO2 _	0.96

El coeficiente de pulverización se define como el número de átomos emitidos por ion incidente y depende de la masa de partículas incidentes, su energía y ángulo de incidencia, así como del material objetivo. ${\ estilo de visualización \ gamma _ {\ mathrm {salir}}}$

Dependencia de la energía de las partículas incidentes

El coeficiente de pulverización, que es igual a cero cuando la energía del ion incidente es menor que el valor umbral, aumenta rápidamente hasta energías de varios cientos de electronvoltios, donde la pulverización se vuelve significativa. En el caso de que las masas atómicas relativas del material objetivo y el ion incidente sean grandes y no muy diferentes , una buena aproximación para el coeficiente de pulverización es la expresión [2] : ${\ Displaystyle Z_ {t}}$ $Z_{yo}$ $(0{,}2\lesssim Z_{t}/Z_{i}\lesssim 5;Z_{t},Z_{i}>>1)$

\gamma _{\mathrm {sput} }={\frac {0{,}06}{{\mathcal {E}}_{t}}}{\sqrt {Z'}}\left({ \sqrt {{\mathcal {E}}_{i}}}-{\sqrt {{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }}}\right)

, donde _

Z'={\frac {2Z_{t}}{(Z_{i}/Z_{t})^{2/3}+(Z_{t}/Z_{i})^{2/3 }}}

Así, el coeficiente de pulverización depende de la energía de las partículas incidentes, de su masa y del material objetivo. Cabe señalar que las fórmulas anteriores son válidas solo para iones monoatómicos y átomos neutros.

A altas energías de partículas incidentes, la dependencia anterior se viola debido al hecho de que aumenta la profundidad de su penetración en el material. La cascada de colisiones se produce más profundamente dentro de la superficie, y los átomos en la capa cercana a la superficie reciben menos energía, lo que hace que sea menos probable que se emitan. Como resultado, la dependencia del coeficiente de bombardeo iónico de la energía de la partícula incidente tiene un máximo, después del cual el coeficiente de bombardeo iónico decrece con un incremento adicional en la energía [3] .

Dependencia del ángulo de incidencia de las partículas

Con un aumento en el ángulo de incidencia relativo a la normal a la superficie, la profundidad de penetración de las partículas incidentes en el material disminuye. La cascada de colisiones ocurre más cerca de la superficie, sus átomos reciben una mayor parte de la energía. La dirección de la velocidad impartida a los átomos desplazados es más favorable para la pulverización catódica. Sin embargo, a ángulos de incidencia demasiado grandes, la probabilidad de reflexión de la partícula incidente por el campo eléctrico en la superficie aumenta sin una transferencia de energía significativa a los átomos objetivo. Así, la dependencia del coeficiente de pulverización del ángulo de incidencia tiene un máximo determinado por la fórmula [4] : $\ theta$

\theta _{max}={\frac {\pi }{2}}-\left[{\frac {5\pi a_{0}^{2}N^{2/3}Z_{i }Z_{t}R_{y}}{{\mathcal {E}}_{i}\left(Z_{i}^{2/3}+Z_{t}^{2/3}\right)} }\derecho]^{1/2}

, donde es la constante de Rydberg .

R_{y}

Como se puede ver en la relación anterior, con el aumento de la energía iónica aumenta. ${\ estilo de visualización \ theta _ {max}}$

Energía y distribución angular de átomos pulverizados

En , los átomos pulverizados tienen las siguientes distribuciones de energía y ángulo de emisión : ${\mathcal {E}}_{i}>>{\mathcal {E}}_{\mathrm {thr} }$ $\ chi$

f({\mathcal {E)),\chi )\propto {\frac {\mathcal {E)){({\mathcal {E))_{t}+{\mathcal {E)) ^ {3}}}\cos\chi

El máximo de distribución se alcanza en . Dado que eV, la energía característica de los átomos pulverizados es de aproximadamente 1,5...3 eV, lo que corresponde a una temperatura de 15000-30000 K, que es mucho más alta que cualquier temperatura de equilibrio alcanzable [5] . ${\mathcal {E}}={\mathcal {E}}_{t}/2$ ${\mathcal {E}}_{t}\sim 3...6$

Manifestaciones negativas

La pulverización iónica conduce a la erosión de los electrodos de los dispositivos de vacío eléctricos llenos de gas (en particular, lámparas de descarga de gas ), sondas utilizadas para el diagnóstico de plasma , electrodos de fuentes de plasma . Para reducir la tasa de destrucción de los electrodos, se busca reducir la energía de los iones, se utilizan materiales con bajo coeficiente de sputtering ( grafito , titanio ).

Aplicación

La pulverización iónica se utiliza principalmente en la producción de microelectrónica para la deposición de películas delgadas y el grabado en relieve .

Este proceso también se utiliza en la soldadura por arco de aluminio para destruir la película de óxido en su superficie.

Véase también

Notas

↑ Pleshivtsev, 1968 , pág. 5.
↑ 1 2 Lieberman, Lichtenberg, 2005 , pág. 308.
↑ Ivanovsky, Petrov, 1986 , p. 31-32.
↑ Ivanovsky, Petrov, 1986 , p. 35.
↑ Lieberman, Lichtenberg, 2005 , pág. 309.

Literatura

Pleshivtsev NV Pulverización catódica. — M .: Atomizdat , 1968.

Danilin B.S. El uso de plasma de baja temperatura para la deposición de películas delgadas. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.

Forrester, T. A. Haces de iones intensos. — M .: Mir, 1992. — 354 p. — ISBN 5-03-001999-0 .

Danilin BS, Kireev V. Yu. Aplicación de plasma de baja temperatura para grabado y limpieza de materiales. - M. : Energoatomizdat, 1987. - 263 p.

Lieberman MA , Lichtenberg AJ Principios de descargas de plasma y procesamiento de materiales. - John Wiley & Sons, 2005. - ISBN 0-471-72001-1 .

Ivanovsky G. F., Petrov V. I. Procesamiento de materiales por plasma iónico. - M. : Radio y comunicación, 1986. - 232 p.

Popov VF, Gorin Yu. N. Procesos e instalaciones de tecnología de iones de electrones. - M. : Superior. escuela, 1988. - 255 p. — ISBN 5-06-001480-0 .

Vinogradov M.I., Maishev Yu.P. Procesos de vacío y equipos para tecnología de haz de iones y electrones. - M. : Mashinostroenie, 1989. - 56 p. - ISBN 5-217-00726-5 .