Вторичная эмиссия атомных частиц при бомбардировке тяжелых d-металлов ионами из азотной плазмы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/95

Вторичная эмиссия атомных частиц при бомбардировке тяжелых d-металлов ионами из азотной плазмы

Представлены результаты кинетического моделирования по методу Монте-Карло процесса распыления тяжелых d- металлов группы Ir, Os и W ионами азота N+ в диапазоне энергий ионов 0.5-2.5 кэВ. Получены коэффициенты физического ионного распыления, средние энергии распыленных атомов, коэффициенты отражения бомбардирующих ионов в виде нейтральных атомов азота, глубины проникновения ионов в тело мишени. Выполнены расчеты для одно-, двух- и трехэлементных мишеней. Определены парциальные коэффициенты ионного распыления указанных металлов и изучено влияние величины энергии поверхностной связи на параметры ионного распыления отдельных элементов мишени. Проведены расчеты для мишени из Al для сравнения параметров ионного распыления тяжелых d- металлов и алюминия. Несмотря на сильное различие в значениях энергии поверхностной связи для этих металлов, величины коэффициентов их распыления оказались одного порядка вследствие того, что ионы азота глубже проникают в алюминий и затрудняется выход атомов отдачи наружу из мишени. Исследованы отраженные или обратнорассеянные нейтрализовавшиеся атомы азота. Определен коэффициент отражения бомбардирующих частиц азота от тяжелых металлов и алюминия.

Secondary emission of atomic particles under bombardment of heavy d-metals by ions from nitrogen plasma.pdf Введение Плазменные эмиссионные системы [1] широко применяются в ионных технологиях обработки материалов. В частности, эти системы используются для генерации ионов азота в процессах азотирования и формирования нитридных покрытий. При этом эффекты бомбардировки ионами азота, как правило, только сопутствуют химическим процессам, но кинетическая энергия ионов может играть и самостоятельную роль, несмотря на малую массу этих ионов по сравнению с обычно используемыми для распыления ионами аргона. Так, чисто кинетическая «азотная технология» применяется для физического распыления тяжелых d-металлов группы W, Re, Os, Ir, Pt, используемых при изготовлении эффективных термокатодов приборов вакуумной эмиссионной электроники [2-5]. Данные катоды относятся к группе металлопористых термокатодов (МПК) и обладают такими преимуществами перед традиционными оксидными катодами, как повышенный срок службы при высокой плотности тока электронной эмиссии, механическая устойчивость, допускается контакт с атмосферным воздухом. Покрытие эмитирующей поверхности указанными d-металлами, в первую очередь пленками осмия (Os) и иридия (Ir) толщиной до 1 мкм, приводит к уменьшению работы выхода термоэлектронов и позволяет снизить рабочую температуру МПК примерно на 100 °С. Ионное распыление в технологии изготовления МПК с металлической пленкой применяется многократно [4, 5]. Сначала для ионного распыления рабочей поверхности МПК с целью раскрытия поверхностных пор вольфрамовой (W) губки, частично закрытых вследствие завальцовки во время токарной обработки, которая выполняется для придания эмитирующей поверхности специальной формы для лучшей фокусировки электронного пучка. Затем ионное распыление используется для финишных очисток как поверхности мишени из указанных выше металлов, так и рабочей поверхности МПК, на которой осаждается пленка. Наконец, ионами распыляют мишень для нанесения металлов на рабочую поверхность МПК. Для выполнения описанной технологии чаще всего используют плазменные распылительные системы (ПРС), в которых применяют газовый разряд низкого давления (< 0.1 Па) [5-8]. Традиционно используют разряд с термокатодом. Плазма этого разряда служит источником ионов для указанных выше процессов, т.е. одна и та же ПРС обеспечивает все виды ионных обработок МПК [5]. Было установлено, что при использовании для распыления ионов аргона наблюдается нестабильность работы электронного прибора, вызванная выделением из МПК во время эксплуатации захваченного аргона, который не удаляется полностью на операциях термической обработки. Но приборы с МПК, изготовленные по «азотной технологии», т.е. с применением для распыления ионов азота, имеют лучшие характеристики [4, 5]. Возможными причинами этого являются меньшие размеры атомов азота и химическое связывание азота, внедренного в тело катода. Было также выявлено, что использование вместо чистого осмия его сплава с иридием или рутением уменьшает эффект образования интерметаллического соединения OsW2 и повышает долговечность МПК [4, 9]. Определенную пользу приносит однопроцентная добавка алюминия (Al) к пленке Os+Ir [4]. При разработке технологических ПРС необходимо прогнозировать параметры процессов ионного распыления указанных металлов, для чего требуется знать, в частности, коэффициенты распыления одноэлементных и многоэлементных мишеней, среднюю энергию распыленных атомов, коэффициент отражения и среднюю энергию атомных частиц (бывших) ионов, обратнорассеянных от распыляемой поверхности, глубину внедрения (имплантации) ионов в катод или покрытие. К сожалению, в литературе практически отсутствуют подобные сведения в отношении ионов азота и d-металлов. Цель настоящей работы - получение данных о распылении ионами азота осмия, иридия, вольфрама, алюминия и их смесей и отражении от них ионов, т.е. получение данных о вторичной эмиссии атомных частиц из этих металлов. Методика проведения исследований Характеристики и параметры процессов при ионном распылении определялись расчетным методом. Для этого моделировалось движение бомбардирующих ионов и атомов отдачи в теле металлической мишени по методу Монте-Карло в приближении линейных каскадов парных столкновений атомных частиц и аморфной структуры мишени. Расчеты выполнялись с помощью программного кода TRIM [10]. Примеры расчетов, выполненных для объектов, подобных нашему, представлены в [11-15]. Проверка результатов этих расчетов путем сопоставления с известными литературными данными показала, что они вполне адекватны, поэтому был сделан вывод о применимости TRIM в нашей работе. Были рассчитаны функции распределения вторичных атомных частиц, эмитированных мишенью, и коэффициенты распыления материала мишени S, средние энергии распыленных ато¬мов Es и коэффициенты отражения бомбардирующих ионов в виде нейтральных атомов азота R: , , , где Ni - количество бомбардирующих атомарных ионов азота N+; Ns - количество распыленных атомов; Nr - количество отраженных атомов (бывших ионов); Fs - функции распределения распыленных атомов по энергии  и углам вылета из мишени; Fr - аналогичная функция распределения отраженных атомов азота; Ei - энергия бомбардирующих ионов. Также определялась Li - средняя глубина проникновения ионов в тело мишени (средний пробег по глубине). Расчеты выполнялись для случая нормального падения ионов на плоскую мишень. Известно, что плазма разряда в азоте эмитирует в сторону мишени с отрицательным потенциалом как атомарные N+, так и молекулярные ионы N2+, но при ударе о мишень молекулы распадаются на атомы, которые затем независимо движутся в теле мишени. В случае молекулярных ионов азота N2+ для определения коэффициента распыления следует пользоваться данными для ионов N+, но для половинной энергии (0.5Ei), и умножать на два полученное значение S. Аналогичным образом следует определять количество отраженных атомов азота при бомбардировке мишени ионами N2+. Во многих ПРС ускорение ионов происходит в слое пространственного заряда около мишени с отрицательным потенциалом относительно плазменной поверхности, эмитирующей ионы. В этом слое может формироваться поток быстрых нейтральных частиц в результате резонансной перезарядки первичных ионов. Поскольку зарядовое состояние бомбардирующей частицы не влияет на вторичную эмиссию атомных частиц из мишени, данные для ионов азота можно использовать и для оценки вторичной эмиссии атомных частиц из мишени при бомбардировке ее быстрыми атомами азота. Результаты и их обсуждение На рис. 1 показаны траектории атомных частиц в теле мишени - бомбардирующих ионов азота и атомов отдачи осмия. Видно, что сравнительно легкие ионы азота проникают на десятки ангстрем в глубь мишени из более тяжелого осмия и сильно в нем рассеиваются. На рис. 2 показано распределение по глубине в мишени точек внедрения ионов. Часть ионов (в виде нейтральных атомов) рассеивается обратно к поверхности и выходит из тела мишени, образуя поток отраженных атомов, летящих в сторону от мишени (подобный процесс как физическое явление рассматривался в [11-14]). При многократных столкновениях ионов с атомами мишени генерируются атомы отдачи, которые, сталкиваясь с другими атомами мишени, выталкивают некоторые из них наружу, генерируя таким образом поток распыленных частиц. Рис. 1. Траектории бомбардирующих ионов N+ и атомов отдачи (Os) в теле мишени (Os). Энергия ионов Ei = 2 кэВ. Стрелки показывают место бомбардировки иона Рис. 2. Пробеги ионов N+ в теле мишени (Os) по глубине. Количество ионов Ni = 10000. Энергия ионов Ei = 2 кэВ В табл. 1 приведены результаты расчетов для одноэлементных мишеней при энергиях атомарных ионов N+, представляющих практический интерес при проектировании ПРС. В данном диапазоне энергии ионов при ее повышении увеличиваются коэффициенты распыления S и средние энергии распыленных атомов Es, несмотря на одновременное увеличение проникновения ионов в глубь тела мишени. У тяжелых металлов наибольший коэффициент распыления наблюдается у иридия, а наименьший - у вольфрама в соответствии с изменением энергии поверхностной связи. У алюминия энергия поверхностной связи - минимальная и соответственно более высокий коэффициент распыления при низкой энергии бомбардирующих ионов. Однако его возрастание с повышением энергии ионов намного слабее, чем в случае тяжелых металлов, из-за того, что ионы сильнее проникают в глубь мягкого алюминия. А чем глубже первичные частицы входят в тело мишени, тем меньше шансов у атомов отдачи выйти наружу. Отраженные или обратнорассеянные нейтрализовавшиеся атомы азота представляют собой второй вид атомных частиц, эмитируемых из мишени в результате ионной бомбардировки. Данные табл. 1 показывают, что коэффициент отражения бомбардирующих частиц азота R от тяжелых металлов довольно большой - порядка 35-38 %, но от легкого алюминия - всего лишь несколько процентов. Отраженные атомы имеют значительную кинетическую энергию, достигая 30-60 % от энергии бомбардирующих ионов [11-14], и не только нагревают окружающие мишень поверхности, но способны их распылять или, по крайней мере, воздействовать на микроструктуру конденсата из распыленного вещества и стимулировать его адгезию к подложке. Таблица 1 Рассчитанные параметры ионного распыления одноэлементных мишеней Энергия иона N+, кэВ Параметр Состав мишени Os Ir W Al Энергия поверхностной связи, эВ 8.13 6.9 8.68 3.359 0.5 S 0.400 0.555 0.307 0.608 Es, эВ 10.8 12.1 7.7 17.6 R 0.371 0.383 0.382 0.052 Li, Å 17 17 18 27 0.8 S 0.553 0.704 0.433 0.640 Es, эВ 14.7 18.1 13.0 27.0 R 0.387 0.373 0.351 0.043 Li, Å 21 21 23 37 1.0 S 0.561 0.782 0.485 0.609 Es, эВ 19.1 21.4 16.0 24.6 R 0.371 0.348 0.350 0.046 Li, Å 25 25 27 43 1.25 S 0.703 0.916 0.633 0.680 Es, эВ 20.7 25.9 20.7 37.0 R 0.375 0.382 0.336 0.047 Li, Å 28 28 31 50 1.6 S 0.719 0.892 0.607 0.685 Es, эВ 28.0 25.1 23.9 35.9 R 0.375 0.354 0.341 0.034 Li, Å 34 33 38 54 2.0 S 0.829 1.08 0.675 0.748 Es, эВ 30.4 32.2 28.9 50.5 R 0.341 0.347 0.356 0.047 Li, Å 47 36 40 55 2.5 S 0.939 1.240 0.784 0.797 Es, эВ 33.2 37.1 32.4 55.4 R 0.359 0.360 0.358 0.035 Li, Å 40 41 44 58 Табл. 2 и 3 представляют результаты расчетов для двух- и трехэлементных мишеней. Здесь к ранее описанным обозначениям параметров добавлен парциальный коэффициент распыления Sp, равный отношению количества распыленных атомов определенного рода, приходящихся на один бомбардирующий ион N+. Сумма парциальных коэффициентов определяет суммарный коэффициент распыления для данной мишени. При расчете характеристик ионного распыления учитывается наличие потенциального барьера на поверхности, который должен преодолеть атом отдачи мишени, чтобы покинуть ее тело. Этот барьер определяется энергией поверхностной связи, которая определяется энергией сублимации материала мишени [10-15]. В табл. 1 приведены значения энергии связи для одноэлементных мишеней. При расчетах для многоэлементных моделей пользуются некоей средней энергией поверхностной связи, в нашем случае средней арифметической величиной от суммы энергий для всех элементов, которые содержит мишень [10]. В табл. 2 и. 3 приведены такие значения средней энергии связи. В случае двухэлементной мишени (Os+Ir) изменение энергии связи было отрицательным для Os и положительным для Ir. Это привело к уменьшению средней энергии обоих видов распыленных атомов, повышению распыляемости осмия, но снижению распыляемости иридия. Остальные параметры изменялись слабо относительно одноэлементных мишеней. В табл. 3 представлены результаты расчетов для трехэлементных мишеней с различной добавкой вольфрама (c = 5 и 10 %). Средняя глубина проникновения ионов в мишень не сильно изменилась по сравнению с одно- и двухэлементной мишенями. Сильно понизилась средняя энергия распыленных атомов W, она же снижалась с уменьшением содержания вольфрама в мишени. Относительная распыляемость вольфрама (100Sp / c) возросла по сравнению с чисто вольфрамовой мишенью (100Sp / c > S), чему способствовало снижение средней энергии поверхностной связи и то, что вольфрам - самый легкий металл по сравнению с осмием и иридием. Таблица 2 Рассчитанные параметры ионного распыления двухэлементных мишеней Энергия иона N+, кэВ Параметр Состав мишени Os Ir 2.5 Содержание элементов, вес. % 50 50 Sp 0.547 0.508 Es, эВ 17.0 18.2 R 0.364 Li, Å 40 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.51 1.25 Содержание элементов, вес. % 50 50 Sp 42 40 Es, эВ 12.8 10.3 R 0.367 Li, Å 28 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.51 1.6 Содержание элементов, вес. % 50 50 Sp 0.455 0.419 Es, эВ 13.8 13.9 R 0.359 Li, Å 33 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.51 0.8 Содержание элементов, вес. % 50 50 Sp 0.362 0.302 Es, эВ 9.9 8.9 R 0.387 Li, Å 21 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.51 Заключение Таким образом, было выполнено кинетическое моделирование по методу Монте-Карло процесса распыления тяжелых d-металлов группы Ir, Os и W с атомной массой 183-192 единицы ионами азота N+ с атомной массой 14 единиц в диапазоне энергий ионов 0.5-2.5 кэВ. Получены количественные данные, характеризующие процесс распыления, включая коэффициенты физического ионного распыления, средние энергии распыленных атомов, коэффициенты отражения бомбардирующих ионов в виде нейтральных атомов азота, глубины проникновения ионов в тело мишени (средние пробеги ионов по глубине). Проведены расчеты для одно-, двух- и трехэлементных мишеней и определены парциальные коэффициенты ионного распыления указанных металлов, а также изучено влияние величины энергии поверхностной связи на параметры ионного распыления отдельных элементов мишени. Были выполнены расчеты для мишени из Al и проведено сравнение параметров ионного распыления тяжелых d-металлов и легкого алюминия с атомной массой 27 единиц. Несмотря на сильное различие в значениях энергии поверхностной связи для тяжелых и легкого металлов, величины коэффициентов их распыления одного порядка. Это можно объяснить тем, что ионы азота глубже проникают в тело мишени из Al, затрудняя при этом выход атомов отдачи наружу из мишени. Таблица 3 Рассчитанные параметры ионного распыления трехэлементных мишеней Энергия иона N+, кэВ Параметр Состав мишени Os Ir W 2.5 Содержание элементов, вес. % 45 45 10 Sp 0.447 0.424 0.108 Es, эВ 16.2 16.7 3.5 0.361 Li, Å 42 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.90 1.25 Содержание элементов, вес. % 45 45 10 Sp 0.306 0.343 0.063 Es, эВ 10.5 12.3 2.0 0.381 Li, Å 29 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.90 2.5 Содержание элементов, вес. % 47.5 47.5 5 Sp 0.478 0.446 0.044 Es, эВ 17.7 14.17 1.1 0.348 Li, Å 41 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.90 1.25 Содержание элементов, вес. % 47.5 47.5 5 Sp 0.353 0.407 0.035 Es, эВ 10.8 12.2 0.7 0.397 Li, Å 28 Средняя энергия поверхностной связи, эВ 7.90 На основании проведенных исследований показано, что отраженные или обратнорассеянные нейтрализовавшиеся атомы азота представляют собой второй вид атомных частиц, эмитируемых из мишени в результате ионной бомбардировки. Установлено, что коэффициент отражения бомбардирующих частиц азота от тяжелых металлов довольно большой - порядка 35-38 %, а от легкого алюминия - всего лишь несколько процентов. Полученные данные о характеристиках процесса ионного распыления тяжелых d-металлов рекомендуется использовать при проектировании плазменных эмиссионных систем для нанесения металлических покрытий, в том числе на металлопористые термокатоды с пленками осмия и иридия на вольфрамовой губке.

Ключевые слова

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Кузьмичев Анатолий ИвановичКиевский политехнический институт им. Игоря Сикорскогод.т.н., профессор КПИ им. Игоря Сикорскогоkuzmichev-kpi@ukr.net
Мельниченко Михаил СергеевичНаучно-производственное предприятие «НИТТИН»инженер-исследователь НПП «НИТТИН»nittin.ru@gmail.com
Шулаев Валерий МихайловичНаучно-производственное предприятие «НИТТИН»науч. консультант НПП «НИТТИН»nittin.ru@gmail.com
Всего: 3

Ссылки

Коваль Н.Н., Окс Е.М., Протасов Ю.С., Семашко Н.Н. Эмиссионная электроника. - М.: МГТУ им. Баумана, 2009.
Barker R.J., Luhmann N.C., Booske J.H., and Nusinovich G.S. Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics. - Wiley-IEEE Press, 2005.
Дюбуа Б.Ч., Королёв А.Н. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. - 2011. - Вып. 1 (508). - С. 5- 24.
Козлов В.И. // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1980. - Вып. 6 (709). - С. 1-65.
Иосилевич Л.Ш., Сахаджи Г.В., Сухов В.П., Данилина Е.Е. // Наука и бизнес: пути развития. - 2013. - № 10 (28). - С. 40-47.
Waite M.M., Shah S.I., and Glocker D.A. // Soc. Vacuum Coaters Bull. - 2007. - Spring. - P. 42-50.
Kay E. and Coburn J.W. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2017. - V. 35. - P. 05C101.
Greene J.E. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2017. - V. 35. - P. 05C204.
Zhou Q., Balk T.J., and Beck M.J. // Proc. IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC-2016). - Monterey, CA, USA, 2016. - P. 1-2.
Экштайн В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела: пер. с англ. - М.: Мир, 1995.
Машкова Е.С., Молчанов В.А. Рассеивание ионов средних энергий поверхностями твердых тел. - М.: Атомиздат, 1980.
Плешивцев Н.В., Бажин А.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. - М.: Вузовская книга, 1998.
Kuzmichev A., Perevertaylo V., Tsybulsky L., and Volpian O. // J. Phys.: Conf. Ser. - 2016. - V. 729. - P. 012005.
Кузьмичёв А.И., Бабинов Н.А., Лисенков А.А. Плазменные эмиттеры источников заряженных и нейтральных частиц. - Киев: Аверс, 2016.
Lorenz R., O'Sullivan M.,, Sprenger D., et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2017. - V. 35. - P. 041504.
 Вторичная эмиссия атомных частиц при бомбардировке тяжелых <i>d</i>-металлов ионами из азотной плазмы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/95

Вторичная эмиссия атомных частиц при бомбардировке тяжелых d-металлов ионами из азотной плазмы | Изв. вузов. Физика. 2020. № 10. DOI: 10.17223/00213411/63/10/95