Физико-химические процессыпри взаимодействии с поверхностью твердого тела

При подаче на обрабатываемую поверхность, находящуюся в плазме, достаточно высокого отрицательного потенциала на поверхность поступает ионный ток насыщения, величина которого в неравновесной плазме дается формулой Бома

, (6.17)

Поверхность в плазме оказывается окруженной слоем из положительных ионов-двойной слой. Толщина двойного слоя определяется дебаевским радиусом экранирования

, (6.18)

где T_e – температура электронов (эВ); n_i – концентрация ионов (см^–3).

При этом практически вся разность потенциалов между поверхностью и плазмой сосредотачивается в двойном слое, в котором ионы приобретают энергию, соответствующую этой разности потенциалов.

При взаимодействии поверхностей с ионными пучками или плазменными потоками на поверхности твердого тела и в его поверхностном слое протекает ряд процессов, которые определяют качество получаемых покрытий, их стехиометрический состав и скорость нанесения, а также качество получаемых микроструктур в целом. Процессы, проходящие вблизи поверхности, влияют в основном на скорость нанесения материала и стехиометрию получаемой пленки, а процессы, протекающие в приповерхностном слое, обуславливают образование дефектов формируемой структуры и качественных показателей покрытия (адгезии пленки в подложке, ее плотности и т.д.). При энергии ионов Е³ 50÷100 эВ начинается эмиссия атомов, положительных и отрицательных ионов. В состав распыляемых частиц входят как атомы подложки, так и нейтрализованные первичные атомы.

На рис.6.3 приведены основные процессы, протекающие на поверхностях, соприкасающихся с плазмой.

Рис. 6.3. Элементарные процессы при взаимодействии плазмы
с поверхностью твердого тела:

а – на поверхности и в приповерхностной зоне; б – у поверхности;
1 – химические реакции; 2 – изменение топографии поверхности;

3 – сорбция атомов иионов; 4 – дефектообразование; 5 – имплантация; 6 – десорбция;
7-2 распыление; I – первичные ионы; II – вторичные ионы; III – вторичные электроны;
IV– распыляемы частицы

При взаимодействии твердого тела и ускоренных ионов с энергией, превышающей энергию распыления, на поверхности твердого тела происходит ряд процессов упругого и неупругого взаимодействия. Интенсивно протекают процессы электронно-ионной эмиссии, нейтрализации положительных ионов при столкновении с поверхностью твердого тела и с образованием электронов, возникновения отрицательных ионов при столкновении положительных ионов с поверхностью металла и отражения положительных ионов.

На границе раздела газ – твердое тело протекают химические реакции, приводящие к изменению физико-химических свойств относительно тонкого поверхностного слоя массивного тела, т.е. происходит модификация поверхности. Вследствие упругих и неупругих взаимодействий иона с энергией, превышающей энергию распыления, происходит распыление атомов мишени или подложки (процесс травления). При низких энергиях ионов взаимодействие тела с ними заключается только в их сорбции на поверхности и отражении частиц от поверхности твердого тела, а также в протекании химических реакций на поверхности. С точки зрения проведения технологических процессов металлизации интересна область средних энергий ионов от 100 эВ до 5 кэВ, так как при высоких уровнях энергии над процессом распыления начинает преобладать глубинное проникновение ионов – ионная имплантация и объемные нарушения, т.е. усиление дефектов образования. Процесс дефектообразования начинается при энергиях около 50 эВ и сопровождает процесс распыления.

При ионной бомбардировке одновременно протекают процессы сорбции и десорбции. Присоединение молекул или атомов к поверхности межмолекулярными Ван дер Ваальсовскими силами называется физической адсорбцией, а химическое соединение молекул или атомов с поверхностью – хемосорбцией.

Адсорбция и хемосорбция называются сорбцией. Процесс, обратный адсорбции, т.е. уход адсорбированных атомов с поверхности называется десорбцией. Одновременно с процессом сорбции частиц протекают процессы их диффузии и миграции, что приводит к десорбции частиц. Десорбция протекает наиболее интенсивно при повышенных температурах поверхности.

Уровень динамического насыщения влияет на структуру и качество поверхности в случае нанесения материала, а также на структуру и качество поверхности подложки при ее распылении. Ионная бомбардировка вызывает изменение топографии поверхности твердого тела, сказывающееся на образовании бугорков или конусов, которые также влияют как на сам процесс распыления, так и на качество поверхности.

У иона, сталкивающегося с поверхностью, имеется большой выбор в конечном исходе процесса столкновения. Вероятность каждого из процессов сложным образом зависит от свойств самого иона (масса, величина заряда), скорости его движения и угла столкновения с поверхностью, а также от состава, температуры, физико-энергетических свойств. Все это расширяет диапазон возможных плазменных технологий, которые могут реализоваться путем выбора условий, обеспечивающих доминирующую роль конкретных процессов.

Явления адсорбции при взаимодействии атомных частиц с поверхностью металлов. Практически все процессы получения покрытий связаны с взаимодействием атомных частиц с поверхностью твердого тела. Механизм осаждения пленок, их сцепления с подложкой, характер зарождения и рост пленок непосредственно связаны с адсорбцией частиц на поверхности твердого тела.

При приближении свободного атома (молекулы или иона) к поверхности твердого тела происходит возмущение дискретных энергетических уровней его внешних электронов. Согласно теории межатомного взаимодействия возможны три предельных случая.

Рис. 6.4. Схема взаимодействия атома с поверхностью:

а – физическая адсорбция; б – слабая хемосорбция – гомеополярные силы;

в –сильная хемосорбция – гетерополярные силы

В первом случае в результате взаимодействия атомов отсутствует обмен электронами между приблизившимися к поверхности свободным атомом и атомами поверхности, но происходит слабая поляризация свободного атома, например, атома инертного газа. Этот случай называется физической адсорбцией и энергия взаимодействия атома с поверхностью определяется силами Ван дер Ваальса. Наиболее простая модель взаимодействия адсорбированного атома с поверхностными атомами была предложена Леннард-Джонсоном, который рассматривал металл как полностью поляризованное тело, а молекулу как квантомеханическую систему, на которую потенциал изображения действует как возмущение. При этом энергия взаимодействия (Е), обуславливающая физическую адсорбцию, определяется соотношениями

, (6.19)

, (6.20)

где С – константа дисперсионного притяжения; с – скорость света;

m – масса электрона;χ – диамагнитная восприимчивость адсорбируемого вещества; – поляризуемость молекул.

Константу B можно определить как равновесное расстояние r ₀, при котором , т.е. расстояние, при котором потенциональная энергия проходит через минимум. Приведенное уравнение получено для однородной поверхности. Энергия взаимодействия на реальных, неоднородных поверхностях значительно отличается от рассчитанных по теоретическим формулам. Адсорбционные силы связи для атомов, адсорбированных в углублениях поверхности, значительно больше, чем для атомов, расположенных на плоской поверхности, на выпуклых углах, краях, т.е. E ₁ > E ₂ > E ₃ > E ₄ > E ₅ (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Схема расположения атомов на поверхности

При слабой хемосорбции происходит перекрытие электронных оболочек адсорбционного атома и поверхности. При сильной хемосорбции адсорбционные силы связаны с передачей электрона от адсорбированного атома к поверхности и наоборот. Этот слой индуцирует противоположно заряженный слой на поверхности адсорбента. Такие связи действуют при адсорбции щелочных металлов на таких металлических поверхностях, как поверхности вольфрама, молибдена.

Энергетическое·состояние адсорбируемых атомов /ионов/ удобно рассмотреть с помощью диаграммы потенциальной энергии адсорбируемого атома (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Энергетическое состояние адсорбированных атомов:

1 – физическая адсорбция; 2 – хемосорбция

В зависимости от сил взаимодействия адсорбента с поверхностью, его молекулы могут быть локализованы или не локализованы (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Схема адсорбционных сил связи для атомов,
различно расположенных на поверхности:

1 – атомов, расположенных в углу6лении; 2 – атомов, расположенных
на плоской поверхности; 3 – атомов, расположенных на выступах

Во втором случае молекулы могут свободно перемещаться по поверхности, причем способность адсорбированных атомов диффундировать по поверхности увеличивается с повышением ее температуры.

Дата добавления: 2017-02-01