2015: Открыт новый механизм распыления газовыми кластерными ионами

Учеными физического факультета (проф. В.С. Черныш, м.н.с. А.Е. Иешкин, каф. физической электроники) совместно с учеными НИИЯФ МГУ (с.н.с. Ю.А. Ермаков) обнаружен новый механизм распыления вещества при облучении ускоренными газовыми кластерными ионами.

Кластер представляет собой ансамбль, содержащий от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч атомов или молекул. Такие образования могут существовать в вакууме в виде отдельных частиц или их пучков. Изучение взаимодействия кластерных ионов с веществом переживает в последние полтора десятилетия относительный бум.

Процессы взаимодействия кластера и мономера с твердым телом существенно различаются. Основное различие состоит в том, большое количество атомов, составляющих кластер, одновременно сталкивается как минимум с таким же количеством атомов твердого тела. Кроме того, при одинаковой начальной энергии глубина проникновения в мишень атомов, составляющих кластер, меньше, чем пробег мономеров. Поэтому при облучении кластерными ионами на малой площади поверхности выделяется значительно большая энергия по сравнению с бомбардировкой ионами мономеров.

Эти особенности использовались нашими коллегами из Японии и США для разработки промышленной технологии сглаживания рельефа облучаемой поверхности и ионной имплантации на ультра малые глубины. И хотя пучки кластерных ионов уже широко применяются в практических приложениях, процессы их взаимодействия с поверхностью остаются во многом неизученными.

В нашей лаборатории экспериментально исследованы угловые распределения распыленного вещества при облучении мишеней кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ. Эксперименты проводились на первом в России ускорителе кластерных ионов, созданном в совместной лаборатории физического факультета МГУ, НИИЯФ МГУ и ОАО «Тензор». Обнаружено, что при бомбардировке мишеней с большим значением модуля упругости (Mo, W) в диаграмме углового распределения распыленного материала появляется доминирующая составляющая, направленная вдоль нормали к поверхности, а при бомбардировке «мягких» мишеней (Cu, Cd, In) эмиссия материала мишени происходит главным образом при больших углах к нормали (описанные ранее в литературе так называемее «латеральные» угловые распределения).

Для объяснения обнаруженного эффекта предложен механизм, учитывающий упругие свойства мишени. Оценки показывают, что за счет передачи импульса атомам мишени от подлетающего кластера, состоящего из 1000 атомов аргона, в поверхностном слое создается давление до 10 Мбар. Вследствие этого возникает сжатие мишени. Поскольку энергия связи атомов в кластере мала (порядка 10 мэВ) кластер быстро разваливается на составляющие его атомы. При этом формируется нелинейные каскады атомных столкновений, которые ответственны за формирование «латерального» потока распыленных атомов. А релаксация упругого сжатия после развала кластера приводит к эмиссии распыленных частиц вдоль нормали к поверхности. Таким образом, особенность обнаруженного механизма состоит в том, что в этом случае распыление является результатом взаимодействия кластера как цельного объекта с бомбардируемым веществом.

Результаты исследований опубликованы в статье: V.S. Chernysh, A.E. Ieshkin, Yu A. Ermakov. “The new mechanism of sputtering with cluster ion beams.” Appl. Surf. Sci. 326, 285 (2015).