Исследование механизма разрушения поверхностей монокристаллов при ионной бомбардировке под скользящими углами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Флёров, Владимир Борисович

• Флёров, Владимир Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 1985

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Флёров, Владимир Борисович

ВВЕДЕНИЕ.1.

ГЛАВА I. РАСПЫЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ

Введение.II

§1.1 Основные закономерности распыления поликристаллических мишеней.

§1.2 Основные закономерности распыления монокристаллов.

§1.3 Теоретическое описание распыления поликристаллических и аморфных твердых тел.

§1.4 Теоретическое описш-ше распыления

Г Vi ■ монокристаллов. |

§1.5 Численное моделирование процессов взаимодействия ускоренных частиц с веществом при помощи ЭВМ.

§1.6 Взаимодействие ускоренных частиц с поверхностями твердых тел при скользящих углах падения.

Постановка задачи.

ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

§2.1 Требования, предъявляемые к экспериментальным установкам.

§2.2 Масс-монохроматор.

§2.3 Камера столкновений и анализатор заряженных частиц в экспериментах по отражению ионов.

§2.4 Камера столкновений в экспериментах по распылению.

§2.5 Подготовка мишеней к эксперименту.

§2.6 Измерение коэффициента распыления, регистрация направлений преимущественного выхода распыленных частиц.

§2.7 Измерение интенсивности ионно-фотонной эмиссии распыленных атомов.

ГЛАВАШ. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ИОНОВ ОТ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПРИ СКОЛЬЗЯЩЕМ ПАДЕНИИ

Введение.

§3.1 Закономерности отражения ионов от грани (001). Угловые зависимости интенсивности отраженных ионов.

§3.2 Закономерности отражения ионов от грани (ОН). Угловые зависимости интенсивности отраженных ионов.

§3.3 Исследование энергетических распределений ионов при малоугловом отражении от поверхности монокристаллов.

§3.4 Обсувдение результатов.

ГЛАВА1У. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПЫЛЕНШ ПРИ БОМБАРДИРОВКЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ПОД СКОЛЬЗЯЩИМИ УГЛАМИ

Введение. ;.

§4.1 Исследование угловой зависимости коэффициента распыления грани (001) монокристалла меди.

§4.2 Исследование угловой зависимости коэффициента распыления грани (ОН) монокристалла меди.

§4.3 Исследование пространственных распределений распыленных частиц.

§4.4 Исследование угловых зависимостей интенсивности фотонной эмиссии распыленных атомов.

§4.5 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизма разрушения поверхностей монокристаллов при ионной бомбардировке под скользящими углами»

Изучению процессов взаимодействия ускоренных атомных частиц с поверхностью твердого тела в настоящее время уделяется большое внимание. Успешное развитие ряда современных отраслей науки и техники в значительной степени обусловлено достижениями в этой области физических исследований. Поскольку материалы взаимодействуют с внешней средой через поверхность, то именно поверхностные слои в большинстве случаев определяют поведение всего материала, его эксплуатационные характеристики.

Изучение явлений, происходящих при столкновениях ускоренных частиц с твердыми телами представляет интерес с научной точки зрения, поскольку позволяет глубже понять процессы, протекающие на поверхности, а также в объеме твердых тел. Успехи этого раздела физики определяют возможность успешного развития прикладных исследований по разработке новых материалов, созданию новых машин и механизмов, важнейших технологических процессов. Увеличение прочности металлических изделий, их коррозийной стойкости, разработка новых эффективных покрытий и физических методов обработки поверхности, повышение надежности микроэлектронных схем, ионно-лучевое легирование полупроводников и ионное упрочнение металлов уже нашли широкое применение в промышленности. Знание закономерностей взаимодействия ускоренных атомных частиц с твердым телом необходимо при конструировании ядерных реакторов, установок для управляемого термоядерного синтеза, космической техники.

Физические принципы взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела лежат в основе современных методов корпускулярной диагностики поверхностей И пленок. Научной основой этих методов является экспериментальное и теоретическое изучение процессов, происходящих при бомбардировке твердого тела атомными частицами.

Одним из явлений, наиболее чувствительных к состоянию поверхности твердых тел, является распыление. Несмотря на то, что проблемы распыления твердых тел под воздействием ионной бомбардировки изучаются уже десятки лет, многие вопросы изучены еще недостаточно. Распыление монокристаллов в области скользящих углов падения частиц на мишень практически не исследовано ни в экспериментальном, ни в теоретическом плане, в то время как при скользящих углах разрушение поверхностей твердых тел протекает наиболее интенсивно.

Основная цель диссертационной работы заключается в экспериментальном изучении закономерностей распыления поверхностей монокристаллов под воздействием ионной бомбардировки под скользящими углами. Основное внимание при этом уделялось исследованию ориента-ционных эффектов распыления монокристаллов в условиях, когда плоскость падения ионного пучка была параллельна полуканалам, образованным поверхностными плотноупакованными атомными рядами и сравнительному анализу угловых зависимостей распыления и отражения в области скользящих углов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Впервые экспериментально исследованы угловые зависимости коэффициента распыления монокристаллов в области скользящих углов падения ускоренных частиц.

2. Впервые обнаружено, что для монокристаллов угловая зависимость коэффициента распыления проходит через максимум в области скользящих углов падения ионов на мишень.

3. Впервые в области скользящих углов падения ионов на поверхность монокристаллов проведено сравнение угловых зависимостей коэффициента распыления и ионно-фотонной эмиссии распыленных атомов.

4. На основании результатов экспериментального исследования процессов взаимодействия ионов с монокристаллическими мишенями выявлены корреляции между ориентационными эффектами распыления и отражения.

5. Экспериментально показано, что эффекты фокусировки частиц в поверхностных полуканалах могут существенно влиять на распыление монокристаллов под скользящими углами.

Научная и практическая ценность работы. Результаты, полученные в диссертационной работе позволяют исследовать вопрос о взаимосвязи распыления и отражения и проследить влияние структуры поверхности на процессы передачи энергии от налетающей частицы атомам среды. Экспериментальные данные, представленные в диссертации, могут быть использованы в машинных расчетах для количественного определения характеристик атомных столкновений, а также для проверки областей применимости расчетных программ, использующих те, либо иные физические приближения. Результаты исследований могут быть использованы при анализе структуры поверхности твердого тела методами ионно-раесеивательной спектроскопии.

С практической точки зрения результаты выполненных экспериментов представляют интерес для решения проблемы первой стенки термоядерного реактора, а также для исследования возможности использования монокристаллов для изменения направления пучков ускоренных атомных частиц /98/.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментального исследования коэффициента распыления в области скользящих углов падения ионов на монокрис-галлические мишени, позволившие исследовать закономерности разру-аения поверхностей монокристаллов в области максимума коэффициента распыления.

2. Результаты исследования пространственных и энергетических характеристик отраженных ионов при бомбардировке монокристаллов под скользящими углами.

3. Результаты экспериментального исследования фотонной эмиссии распыленных атомов, показавшие, что при скользящих углах падения ионов на монокристаллы угловые зависимости интенсивности ионно-фотонной эмиссии отражают основные закономерности ориента-ционных эффектов распыления.

4. Методы экспериментального определения энергии фокусировки, оптимальной энергии поверхностного каналирования и критической энергии поверхностного каналирования.

5. Результаты сравнительных исследований закономерностей распыления и отражения при скользящем падении ионов на монокристаллы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Балашова Л.Л., Гарин Ш.Н., Додонов А.И., Машкова Е.С., Молчанов 5.А., Флёров 5.Б. Экспериментальное определение предельной энергии поверхностного каналирования. - Письма в ЖТФ, 1982г., т.8, с.840-844.

2. Машкова Е.С., Флёров В.Б. Отражение ионов от монокристаллов при скользящем падении. - Поверхность. Физика, химия, механика, 1983г., № 3, с.41-46.

3. Машкова Е.С., Флёров В.Б. Отражение ионов неона от мед-яых мишеней при скользящем падении. - В сб. "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссиия", Харьков: изд. ХГУ, 1983г., с.233-235.

4. Mashkova E.S., Fleurov V.B. Small-angle ion reflection from singles-crystals. - Radiation Effects, 1984, v. 80, p.227-239.

5. Машкова E.C., Флёров В.Б. Ориентационные зависимости энергетических распределений отраженных ионов в поверхностном каналировании. - Поверхность. Физика, химия, механика, 1984 г., № 4, с.40-43.

6. Mashko-va E.S., Fleurov V.B. Effects of surfase semi-channeling on the energy distributions of reflected ions. -Radiation Effects Letters, 1984, v. 86, p. 115-120.

7. Машкова E.C., Молчанов В.А., Флёров В.Б. Угловые завсимости коэффициентов распыления и ионно-электронной эмиссии при скользящем падении ионов на монокристаллы. - Письма в ЖТФ, 1984 г., т.10, с.1006-1010.

8. Машкова Е.С., Молчанов В.А., Флёров В.Б. Угловые зависимости коэффициента распыления и интенсивности ионно-фотонной эмиссии при скользящем падении ионов на кристалл. -Тезисы докладов на XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике, в сб. секций 1У,У1, Ташкент, институт электроники им. У.А.Арифова, 1984г., с.47.

9. Машкова Е.С., Флёров В.Б., Чубисов М.А. Особенности распыления монокристаллов при их бомбардировке под скользящими углами. - В сб. "УН Всесоюзная конференция по взаимодействию атомных частиц с твердым телом". Минск, издательство МРТИ, 1984г., часть I, с.88.

10. Балашова Л.Л., Борисов A.M., Гарин Ш.Н., Молчанов В.А., Снисарь В.А., Флёров В.Б. Изучение угловых зависимостей распыления по оптическому излучению атомов мишени. - В сб. "УП Всесоюзная конференция по взаимодействию атомных частиц с твердым телом". Минск, издательство МРТИ, 1984г., часть I, с.246.

Результаты диссертации докладывались на:

- Всесоюзных семинарах по поверхностному рассеянию атомных частиц ( Ташкент, 1982г., Ангрен 1983г.);

- XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984г.);

- УН Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом ( Минск, 1984г.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Флёров, Владимир Борисович

Основные результаты изложены в работах /86-89/.

Необходимо отметить, что эксперименты по ионно-фотонной эмиссии предпринимались, прежде всего, с целью исследования характеристик, присущих явлению распыления в целом, точнее для выявления ориентационных эффектов распыления монокристаллов. Механизмы, приводящие к заселению тех, или иных возбужденных состояний, представляют собой отдельный сложный вопрос /2, 90, 91/ и обсуждаться в настоящей работе не будут.

§ 4.1. Исследование угловой зависимости коэффициента распыления грани (0QE) монокристалла меди

Угловые зависимости распыления кристалла С и (001) исследовались в диапазоне углов падения пучка Q от 60° до "87,5° ( Q = 90° - ). Плоскость падения ионов была параллельна оси /1107.' Размеры, используемого кристалла меди;вдоль оси /НО7 составляли ПО мм. '

Экспериментальные результаты исследования угловой зависимости коэффициента распыления в случае бомбардировки кристалла ионами аргона с Е = 30 кэВ представлены на рис.4.1. Видно, что возрастаг-ние коэффициента распыления по мере увеличения угла падения наблюдается примерно до w = 75°, ср. с зависимостью & с9), mclko приведенной на рис.1.8. Максимальное значение коэффициента распыления при этом равно £= 35 (атом/ион). При дальнейшем увеличении угла S значения коэффициента распыления падают, при угле 6 =84° коэффициент распыления уменьшается вдвое по сравнению с максимальным значением. Как возрастающая, так и убывающая часть угловой зависимости <S (0) содержат ряд локальных минимумов, либо ступенек. Угловые положения этих немонотонностей соответствуют направлениям падения ионов вдоль кристаллографических осей мишени, в том числе и высокоиндексных: /3327 - 6 = 64,8°, /2217 - 6 = 70,5°,

3317 - О = 76,7°, /4417 - G = 80°, /5517 - в =82°. Из рис.4.1 видно, что немонотонности на зависимости S (0) выражены более отчетливо для более прозрачных кристаллографических направлений.

При угле (9 = 81° спадающая ветвь кривой обнаружи

60 70 „(о) so 90

Рис.4.I. Угловые зависимости коэффициента распыления и интенсивности ионно-фотонной эмиссии при бомбардировке грани Сц (001) ионами Ah+, Е = 30 кэВ. Пунктир - результаты численного моделирования распыления /53/ для Е = 27кэВ. ности ионно-фотонной эмиссии при бомбардировке грани С и (001) ионами Л/е+, Б = 15 кэВ. Пунктир - данные для поликристалла. (+) - Имитация прямого выбивания атомов из 2 -х верхних слоев монокристалла согласно расчету /88/. вает излом, т.е. скорость убывания при U > 81° замедляется.

- На рис.4.2 представлены результаты измерений в случае бомбардировки грани (001) См ионами неона с энергией 15 мэВ. Геометрия эксперимента'выбиралась аналогичной предыдущему случаю, т.е. вращение 1фисталла осуществлялось вокруг кристаллографической оси /J10J, Так же как и в предыдущем случае, коэффициент распыления по мере увеличения угла Э сначала возрастает, проходит через максимум при угле 72° и убывает при дальнейшем увеличении 9 . Максимальное значение коэффициента распыления составляет величину порядка 14 (атоод/ион). Зависимость обнаруживает ряд локальных минимумов, совпадающих по направлению с кристаллографическими осями мишени. Обнаруженные немонотонности на зависимостях S ( соответствуют кристаллографическим направлениям /3327, /221/, /3317. В диапазоне углов 83°^6^87,5° по мере увеличения О , скорость уменьшение коэффициента распыления резко замедляется, при 73° кривая имеет излом и при 6 ^ 73° S (&) слабо зависит от угла (У . Излом зависимости в области'скользящих углов для случая бомбардировки мишени неоном Е = 15 кэВ выражен резче, чем в случае бомбардировки мишени аргоном Е = 30 кэВ.

Для сравнения были проведены измерения угловой зависимости коэффициента распыления поликристаллической меди, см.пунктир на рис.4.2. Зависимость для распыления поликристаллической меди ионаг-ми аргона Е = 27,5 кэВ приведена на рис.4.3. Из рисунков видно, положения максимумов зависимостей cS (&) для монокристалла и поликристалла сильно отличаются. В случаях бомбардировки грани Си (001) ионами аргона и неона максимумы угловой зависимости коэффициента распыления достигаются при меньших значениях угла S , чем для соответствующих зависимостей для поликристалла. Для монокристалла коэффициент распыления в области максимального значения в исследов о)

Рис.4.3. Угловые зависимости коэффициента распыления медных мишеней при бомбардировке ионами аргона под скользящими углами;

1) - Лг*+ 30 кэЗ - Сц(001)

2) - Аь+ 30 кэЗ - Сц(ОИ)

3) - Ah 27 кэВ - СиСполикр.)/19/.

- 135 ванных случаях изменяется более резко. В исследованном диапазоне углов можно ввделить две характерные области углов: I - область аномально больших по сравнению с поликристаллом значений коэффициента распыления, что соответствует углам 60°^- 0 ^78° в случае ионов аргона и 60°^- Q ^ 76° в случае ионов неона; П - область, в которой значения коэффициента распыления монокристалла лежат значительно ниже, чем для поликристалла. Эта область сильно скользящих углов соответствует в случае ионов аргона 78°^ Q 87° и 76°^ Q ^ 87,5° в случае ионов неона.

§ 4.2. Исследование угловой зависимости коэффициента распыления грани (011) монокристалла меди

На рис.4.4'представлены данные относящиеся к грани Си (ОН) кристалла меди. Плоскость падения ионов была параллельна оси' /1107. Диапазон изменения углов падения 0 составлял от 60° до 82°. Общий характер изменения коэффициента распыления по мере увеличения угла падения ионов на мишень аналогичен случаю грани (001): коэффициент распыления по мере увеличения Q растет, проходит через максимум, после чего убывает. Максимальное значение <5 меньше, чем для храни (001) и составляет 30 (атом/ион) при угле ^ макс = т.е. максимум с5 сдвинут'в сторону больших углов О по сравнению с гранью С^ (001).

Как видно из рис.4.4 локальное уменьшение коэффициента распыления наблюдается вблизи кристаллографических осей /1307,В -73,5° ; /1207, О = 71,5°; /2307, 78,5°. Наиболее широкий'и глубокий минимум зависимость «5 (0) имеет в окрестности направления /1307.

К сожалению, размеры кристалла не позволили проследить характер угловой зависимости коэффициента распыления при углах падения пучка ионов, больших 82°.

60 70 80

Рис.4.4. Угловые зависимости коэффициента распыления и интенсивности ионно-фотонной эмиссии при бомбардировке грани Сц(ОП) ионами А г* Е=30кэВ

Сравнение хода зависимостей S для грани См (ОН) и поликристалла молено провести по рис. 4.3. Видно, что в интервале углов 76° < Q 4 78° значения S Для монокристалла превышают значения S Для поликристаллической медной мишени, однако область аномально больших значений S в случае грани Си(001) выражена значительно слабее, чем в случае грани Cw(OOI) ( см. также рис.4.2) При 6 > 78° значения коэффициента распыления монокристаллической мишени лежат ниже, чем для поликристалла.

§4.3. Исследование пространственных распределений распыленных частиц.

Наряду с изучением угловых зависимостей коэффициента распыления^ области скользящих углов исследовались также направления эмиссии распыленных частиц. Геометрия эксперимента была описана в §2.6 (рис.2.7). Регистрация напыленного на коллектор осадка вещества мишени осуществлялась в случае бомбардировки грани См(001) ионами аргона с энергией Е - 30 кэВ и ионами неона с энергией Е = 15 кэВ. В обоих случаях плоскость падения ионного пучка была параллельна поверхностным полуканалам мишени, образованным атомными рядами /1107 0°).

Исследование пятен осадка проводилось при различных углах задения ионного пучка. Как показали проведенные нами эксперименты, з случаях, когда бомбардировка мишени осуществлялась по нормали к юверхности,либо значения углов падения были не очень велики, габлюдались пятна осадка, аналогичные изображенным на рис.1.7 [§1.2). В широком диапазоне углов падения картина пятен существен-ю не менялась. Фигуры распыления свидетельствовали о преимущеет-зенном выходе распыленных частиц в пяти направлениях: перпендику

V I. SULK.Л

Рис.4.5. Картины преимущественного выхода атомов в случае распыления грани Си(001) , ft = 0°. Фотографии пятен осадка: а) - Аг+30кэВ, 0 = 69°; б) - АКЗОкэВ, б = 86°; в) е+15кэВ, 0 = 86°; г) - результаты численного моделирования распыления /54/ Аг+27кэВ Си (001). (+) - направления эмиссии первично выбитых атомов. Стрелкой указано направление пучка. лярно поверхности мишени вдоль оси /1007, а также вдоль четырех осей /1107, расположенных наклонно по отношению к поверхности.

По мере приближения углов падения к скользящим картина пятен изменялась. Помимо пятен, соответствующих преимущественному выходу распыленных частиц в окрестностях направлений кристаллографических осей мишени, появлялась интенсивная полоса осадка, проходящая через центральное пятно /100/ перпендикулярно направлению первичного пучка.

Фотографии осадка представлены на рис. 4.5 а, б, в. Рис.4.5а соответствует случаю не очень большого значения угла падения (6 = 69°), когда полоса еще не заметна. При скользящих углах (#= 86°) в случае ионов аргона,Е = 30 кэВ, см . рис. 4.56 полоса выражена более отчетливо, чем в случае ионов неона,Е =15 кэВ, см.рис.4.5в. Отметим также, что в обоих случаях полоса осадка имеет несколько асимметричную форму и немного смещена вперед по направлению пучка относительно пятен.

Эксперименты выявили, что формирование полосы осадка по мере увеличения 0 происходит постепенно. С увеличением 0 в области значений близких к 90° полоса проявляется все более отчетливо. Она достаточно отчетливо вццна при В случае поликристаллической медной мишени полоса перпендикулярная направлению первичного пучка не наблюдалась.

Таким образом в результате проведенного исследования было установлено, что картина пространственного распределения распыленного вещества при бомбардировке монокристалла ускоренными ионами под скользящими углами может существенно отличаться от характерной картины пятен Венера, наблюдающейся в широком диапазоне углов падения частиц.

§ 4.4. Исследование угловых зависимостей интенсивности фотонной эмиссии -распыленных атомов

Поскольку распыленные в возбужденное состояние атомы являются частью потока распыленных частиц, характеристики фотонной эмиссии распыленных атомов несут информацию об общих закономерностях распыления облучаемого образца. В общем случае число частиц, распыленных в возбужденное состояние на один налетающий ион, из

5* соотносится с коэффициентом распыления следующим образом /92/ где Ей ^ энергия и угол для падающей частицы, - некоторая функция от энергии, соответствующая данному возбужденному состоянию, Р {fyJ/f 6 ) - вероятность того, что частица распыляется в телесный угол

Jl'oiSl' со скоростью (Ifoiir ), PC и; в') вероятность того, что атом со скоростью и направлением вылета, соответственно If л 6 будет возбужден в состояние, определяемое энергией Ее, S& ( if/ в f ) - вероятность того, что возбуждение снимется посредством испускания фотонов. Ясно, что для всестороннего анализа результатов фотонной эмиссии требуется детальное изучение всех факторов. Однако можно ожидать, что ориента-ционные эффекты распыления, обусловленные упорядоченной структурой мишени, в той или иной мере проявятся и на угловых зависимостях фотонной эмиссии атомов. Это открывает возможности использования измерений фотонной эмиссии как экспрессного метода для обнаружения и изучения особенностей распыления, для которого не требуются большие времена измерений и большие дозы облучения мишени.

Отметим, что сравнение экспериментальных угловых зависимостей интенсивности фотонной эмиссии с угловыми зависимостями коэффициента распыления, полученными в расчетах на ЭВМ /92/ в случае бомбардировки поликристаллических мишеней из никеля, меди и алкми-ния ионами аргона показывает, что эти зависимости имеют одинаковый характер. Угловые зависимости интенсивности фотонной эмиссии, также как и угловые зависимости коэффициента распыления возрастают по мере увеличения угла Q , достигают своего максимального значения при скользящих углах и убывают цри дальнейшем увеличении 0 , причем максимум интенсивности фотонной эмиссии наблюдается примерно при тех же углах,что и максимум коэффициента распыления.

Известно,что угловые зависимости интенсивности фотонной эмиссии в случае распыления монокристаллов также коорелируют с угловыми зависимостями коэффициента распыления /93,94/.В частности, в направлениях кристаллографических осей мишени отмечается локальные уменьшения интенсивности фотонной эмиссии,которые соответствуют минимумам коэффициента распыления. В качестве примера, иллюстрирующего корреляцию между угловыми зависимостями фотонной эмиссии и распыления мы приведем экспериментальные кривые в случае распыления медного монокристалла ионами аргона в широком диапазр-не углов падения, см.рис.4.6. Видно, что зависимость^ $) отражает не только локальное уменьшение распыления в окрестностях кристаллографических осей мишени, но также передает общий ход кривой в частности зависимость ) проходит через максимум при скользящих углах, так же как и зависимости S ( в § 4.1, 4.2 были приведены результаты исследования зависимостей S ($) в области скользящих углов падения ионов на грани (001) и (QEI) монокристалла меди.

Угловые зависимости интенсивности фотонной эмиссии распыленных атомов подробно исследовались наш цри бомбардировке зтраней (0QE) и (QEI) моно кристаллов меди ионами аргона и неона при тех же самых азимутальных углах поворота мишени, что и в экспериментах по распылению.«Идя сравнения измерялись также зашейвМ

Рис.4.6. Угловые зависимости коэффициента распыления и интенсивности ионно-фотонной эмиссии в случае бомбардировки грани См (ОН) ионаии Ahf в широком диапазоне углов падения, Е = 30 кэВ, fi = 0°. Пунктиром показаны угловые зависимости интенсивности ионно-фотонной эмиссии для поликристаллической меди. мости (9) для поликристаллической меди. На рис.4.1, 4.2,

4.4 зависимости Ду {&) нанесены на графиках вместе с зависимостями S ($). Как видно из рисунков в области скользящих углов, как в случае бомбардировки монокристаллов ионами аргона, так и неона, угловые зависимости интенсивности фотонной эмиссии имеют более гладкий характер. В отличие от зависимостей коэффициента распыления, локальные минимумы на зависжюстях OhV (.&) обнаружить не удалось, за исключением слабо выраженного уменьшения интенсивности фотонной эмиссии в направлении /3327 грани (001) при бомбардировке мишени ионами неона относительно больших энергий.

Эксперименты показали, что в области скользящих углов интенсивность фотонной эмиссии достигает максимума* Для монокристаллов, так же как и для поликристаллов /92/, максимумы (&) близки по положению с максимумами S (&), см.рис.4.1, 4.2," 4.4. В случае бомбардировки мишеней ионами аргона максимум J/,}) (0) для грани (001) наблюдается при том же угле, что и максимум для <£ {в ); для грани (011) максимум (9) сдвинут в сторону меньших углов примерно на 1,5°. В случае бомбардировки грани (ОСЕ) ионами неона максимум Л У ($) также сдвинут в сторону меньших' углов относительно максимума' S (9) примерно на 2°.

Убывание интенсивности фотонной эмиссии по мере увеличения Q происходит немонотонно. Как видно из рис.4.2 в области О = 83° кривая С^р (6 ) имеет ступеньку. Угловое положение этой ступеньки коррелирует с особенностью в поведении коэффициента распыления - изломом кривой Таким образом уменьшение скорости убывания коэффициента распыления цри сильно скользящих углах отражается и на угловой зависимости интенсивности фотонной эмиссии распыленных атомов.

Измерения фотонной эмиссии позволили исследовать влияние энергии ионов на положение максимума коэффициента распыления. Семейства кривых для различных фиксированных значений первичной энергии ионов приведены на рис,4.7, 4,8. Как видно из рисунков, при уменьшении первичной энергии ионов аргона и неона от 30 кэВ до 10 кэВ максимумы зависимостей (.&) смещаются в сторону меньших значений Q . Максимумы С^р {в) при энергиях ионов аргона Е = 30, 20, 15, 10 кэВ соответствуют углам & mdko 73°, 72°, ТЕ0, 68°. При энергиях ионов неона Е = 30, 20, 15, 10 кэВ максимумы соответствуют углам (У = 76,5 ,

76°, 74°, ТЕ0.

Как видно из рис.4.8 в области падающего участка кривой i0) имеется характерная ступенька, которая проявляется тем отчетливее, чем меньше энергия ионов. С уменьшением энергии ионов ступенька смещается в сторону меньших углов &. Аналогичную особенность можно обнаружить и на рис.4.7, однако в случае бомбардировки монокристалла ионами аргона она имеет менее выраженный характер.

На рис.4.7, 4.8 пунктиром нанесены утловые зависимости интенсивности фотонной эмиссии в случаях бомбардировки мишеней из поликристаллической меди. Как показали эксперименты, в исследованном диапазоне энергий ионов 10 4 Е 4 30 кэВ максимумы интенсивности ионно-фотонной эмиссии для поликристаллов сильно сдвинуты в стороны больших значений & , чем для монокристаллов. Отметим также, что немонотонности на зависимостях Щу типа ступеньки, обнаруженные для монокристаллических мишеней в области углов & близких к 90°, на зависимостях ) для поликристаллов отсутствуют.

§ 4.5. Обсуждение "результатов

Анализ экспериментальных результатов показывает,что в области скользящих углов падения ионного цучка угловые зависимости коэффициента распыления монокристаллов обладают рядом специфических

Рис.4.7. Угловые зависимости интенсивности ионно-фотонной эмиссии распыленных атомов меди при различных значениях первичной энергии ионов аргона. Сплошные линии соответствуют распылению грани См С 001), ( Jb = 0°), пунктир - поликристаллу.

Рио-4-6' Угл°вые зависимости интенсивности ионноч$отонной эмиссии распыленных атомов меди при различных значениях первичной энергии ионов неона. Сплошные линии соответствуют распылению грани См(001) , (Jb . 0°), пунктир - поликристалл. особенностей и существенно отличаются от зависимостей для поликристаллических мишеней, см.рис.4.2, 4.4. Во-первых, максимумам коэффициента распыления для исследованных монокристаллических мишеней соответствуют меньшие значения углов & , чем в случае поликристаллических мишеней. Во-вторых, в случае "глубоких" и "узких" полуканалов (грань 001), ряды /1107) максимум коэффициента распыления наблюдаются при меньших "углах", чем в случае "мелких" и "широких" полуканалов (грань 011), ряды /П07)» Справедливы соотношения: макс<001> < 6>мако(011) < ^маке^0ЛИКР> Знаке»501) S мако<0П> ^ Sмако(поликр) (I)

В-третьих, см.рис.4.1, 4.2, 4.4, как возрастающие, так и убывающие ветви зависимостей S {&) имеют области локального уменьшения величины S в окрестностях кристаллографических осей мишени. В-четвертых, в области сильно скользящих углов скорость убывания коэффициента распыления замедляется, что наиболее отчетливо наблюдается для случая бомбардировки грани С и (001) ионами неона, см.рис.4.2. Как показывают измерения угловой зависимости фотонной эмиссии распыленных атомов эта особенность выражена тем более резко, чем меньше энергия падающих частиц, см.рис.4.7, 4.8.

Рассмотрим механизмы, которые могут обусловливать отмеченные особенности. Как отмечалось выше, степень разрушения поверхностей, в первую очередь, определяется тем, какая доля энергии передается атомам среды вблизи поверхности. Факторами, снижающими величину выделившейся вблизи поверхности энергии являются, с одной стороны, проникновение частиц глубоко внуть вещества вследствие эффектов каналирования в объеме, а с другой стороны - эффекты отражения частиц, вследствие которых уносится определенная доля энергии. Эффект каналирования падающих частиц в кристаллической мишени позволяет,как известно (§ 1.4), объяснить наличие анизотропии угловой зависимости коэффициента распыления, т.е. резкое уменьшение выхода распыленных частиц цри совпадении направления падения ионов с низкоиндексными кристаллографическими осями мишегут конкурировать эффекты отражения.

При скользящих углах, согласно теоретическому подходу Зигмунда, см. § 1.3, убывание коэффициента распыления обусловлено ростом коэффициента отражения частиц. Для упорядоченных сред возрастание коэффициента отражения при скользящих углах также становится основным фактором, модулирующим ход зависимости S {&).

Учет эффектов отражения может быть проведен формально в рамках моделей "прозрачности", которые были рассмотрены в § 1.4. В работе /95/ было показано, что если коэффициент отражения задать в виде монотонной аналитической функции, изменяющейся от 0 до I в области скользящих углов цри © —90 то в рамках полуфеноменологической модели Одинцова /42, 43/ можно получить зависимосные из экспериментов по распылению граней С и. (001) и С и (ОН) ионами аргона Е = 30 кэВ. Интересно отметить, что такой подход позволяет учесть эффекты "прозрачности" (т.е.уменьшение коэффициента распыления в окрестностях плотноупакованных кристаллографических направлений) в области скользящих углов падения, как на возрастающей, так и на убывающей ветви угловой зависимости коэффициента распыления.

Корректное описание закономерностей распыления и отражения обязательно должно учитывать структуру поверхности мишени, в частности эффекты взаимного влияния поверхностных атомных рядов. При углах, близких к скользящим, т.е. сравнимых с углом Линдхарда (§ 1.4), эффекты рассеяния частиц на поверхностных атомных рядах могут существенно влиять на величину коэффициента распыления. Так ни /3/. По мере увеличения угла каналирования мофокусировка частиц в поверхностных полуканалах может приводить к локальному воззрастанию коэффициента отражения частиц и энергии, а следовательно и уменьшению доли энергии передаваемой атомам мишени. Действительно, как показали эксперименты по отражению (глава Ш) .вследствие эффекта фокусировки азимутальные зависимости интенсивности отраженных ионов имеют характерные пики в азимутальном направлении =0°, которое соответствует рассеянию ионов в геометрии полуканалов. Для оптимальных условий полуканальной фокусировки из экспериментов по отражению ионов аргона с энергией Е=30 кэВ от грани С и (001) было получено значение угла фокусировки ср6ф =9,5°. При этом было показано,что интенсивность отраженных частиц имеет максимум в зеркальном направлении, а энергетические распределения имеют узкую однопиковую форму.

Значение угла фокусировки полученное из эксперимента хорошо согласуется с данными машинного расчета Шульги /52,53/, в котором влияние полуканальной фокусировки частиц исследовалось по отношению к распылению. Моделирование процессов распыления в расчетах /52,53/ проводилось для условий близких к нашему эксперименту (геометрия полуканалов в случае грани Си (001) и энергия ионов аргона Е=27 кэВ), поэтому для сравнения расчетная и экспери

Отметим, что расчет ион-атомных и атом-атомных столкновений осуществлялся в рамках модели бинарных взаимодействий, краткая характеристика программы расчета /52,53/ дана в конце § 1.5.

Видно, что результаты численного расчета, проведенного Шуль-гой, правильно передают общий характер угловой зависимости коэфн-фициента распыления,в частности угловое положение максимума S и его величину.Однако, в области сильно скользящих углов расчет дает заниженные значения коэффициента распыления.Кроме того,большой шаг по утлу & в расчете не позволил сравнить результаты в окрестностях кристаллографических осей мишени. ментальная кривые нанесены на одном графике, см.рис.4.1.

Сравнение рассчитанных угловых зависимостей распыления и отражения /53/ показало, что зависимость коэффициента распыления S {&) монокристалла для геометрии полуканалов при 0> 75° носит обратный характер по отношению к зависимости коэффициента отражения энергии (Q). в частности, локальный максимум на зависимости полученный в расчете, см.рис.4.1, соответствует локальному минимуму на зависимости & ($) при 6 = 81°, а уменьшение 5 (в) соответствует росту . Немонотонность указанных зависимостей в области О 1° объясняется оптимальными условиями фокусировки частиц в поверхностных полуканалах, значительная доля энергии при этом уносится отраженными частицами и не затрачивается на распыление. Однако, немонотонность в поведении коэффициента распыления при предсказываемая результатами моделирования, экспериментально обнаружить не удалось, в то время как в экспериментах по отражению эффект фокусировки отчетливо проявлялся в локальном уменьшении величины Возможный причиной является расходимость реального ионного пучка,которая не учитывалась в расчете.

Результаты экспериментов согласуются с выводом, сделанным в /53/ о том, что фокусирующие свойства полуканалов могут приводить не только к уменьшению коэффициента распыления при оптимальных условиях фокусировки, но и к его увеличению по отношению к поликристаллу в области углов 6 , меньших оптимального утла фокусировки (рис.4.2, 4.4).

Причина такого поведения коэффициента распыления, согласно /53/ заключается в следующем. Если при углах (энергиях поперечного движения Ет) близких к углам фокусировки 90° (Ет > Еф), импульс, переданный в столкновениях ионов с атомами второго слоя, направлен внутрь кристалла, то при углах 0 (либо энергиях Ет) немного меньших 6 ^ (Ет > Еф) направление переданного импульса составляет небольшие углы с поверхностью. В первом случае происходит эффективное отражение частиц от атомных рядов второго слоя, образующих "дно" полуканалов, значительная часть энергии теряется при отражении и коэффициент распыления падает. Во втором случае в результате "расфокусировки" возникает большое число цепочек соударений, вблизи поверхности, что приводит к возрастанию коэффициента распыления.

В наших экспериментах, см.рис.4.4 было показано, что этот эффект имеет место и в случае распыления грани С и (ОН), однако выражен слабее. Аномальное увеличение коэффициента распыления для грани Си (ОН) по сравнению с поликристаллом выражено не так сильно, как в случае грани Си (001) и наблюдается в значительно более узком угловом интервале. Уменьшение коэффициента распыления при более скользящих углах в случае грани СИ (ОН) происходит не столь решительно, как для грани Си (001). Таким образом, можно заключить, что влияние фокусировки частиц на распыление в случае "глубоких" и "узких" полуканалов выражено значительно сильнее, чем в случае "мелких" и "широких" полуканалах. Этим, по-видимому, можно объяснить экспериментально полученные неравенства (I), приведенные в начале параграфа.

Как показали изложенные выше результаты экспериментов, в области скользящих углов интенсивность фотонной эмиссии проходит через максимум аналогично угловой зависимости коэффициента распыления, причем в исследованных случаях разность между углами, соотсоответствующих распылению монокристаллической и поликристаллической мишени, в зависимости от первичной энергии ионов показаны на рис.4.9. Пунктирными линиями на рисунках нанесены кривые, описывающие поведение коэффициент распыления на основании учета эффекта отражения от атомной плоскости, согласно модели Уиткомба ветствующими максимумам зависимостей вышает 2°. Положения максимумов интенсивности фотонной эмиссии, илкс

МАКС а) в)

Рис.4.9. Угловое положение максимумов интенсивности ионно-фотонной эмиссии распыленных атомов в зависимости от первичной энергии ионов. Пунктиром нанесены теоретические зависимости для максимумов коэффициента распыления соглас но /57,58/. а) - соотв. рис.4,7, б) - соотв. рис.4.8.(•) - данные для монокристалла, (о) - данные для поликристалла.

§1.6 ф-ла (4)). Из рис.4.9 видно, что экспериментальные точки, соответствующие поликристалличееким мишеням с хорошей точностью описываются теоретической кривой. Если учесть, что за излучение атомарных линий С I ответственны быстрые распыленные атомы /90/, то из сравнения угловых зависимостей интенсивности фотонной эмиссии и коэффициента распыления следует,что максимальный выход быстрых атомов наблюдается вблизи максимума коэффициента распыления.

На основании результатов, приведенных на рис.4.8 можно с хорошей точностью судить об энергетических зависимостях углового положения максимума коэффициента распыления Видно, что в исследованном диапазоне энергий максимумы для монокристаллов лежат выше, чем для поликристаллов,что можно объяснить эффектом фокусировки частиц в поверхностных полуканалах.

О /-л

Отметим также, что соотношение СУ мако(Е) ^ ^макс^» полученное в экспериментах по исследованию ионно-фотонной эмиссии, см.рис.4.9, а также соотношение, 0 макс(Е=30 кэВ) > /О + (У (Е=15 кэВ) полученное из экспериментов по распылению, макс см.рис.4.1, 4.2, можно качественно объяснить из учета соотношений для соответствующих значений энергии фокусировки для параксиальных пучков. Согласно оценкам, проведенным по формуле (I)

§3,4 для полуканалов на грани Си .(001) справедливы соотноше

Аг + д^ , ния: Еф > Еф, (Еф = 650 эВ, Б^ = 420 эВ), </ф(Ал+,

Е = 30 кэВ) < с/- ф( Ме*,Е = 15 кэВ), т.е. вследствие того, что энергия фокусировки в полуканалах на грани Си (001) для ионов неона меньше,чем для ионов аргона, при одинаковой фиксированной энергии ионов максимум коэффициента распыления мишени неоном должен наблюдаться при более скользящих углах, чем при распылении монокристалла аргоном.

В области сильно скользящих углов падения было обнаружено замедление скорости убывания коэффициента распыления, наиболее

- 154 явно выраженное для случая бомбардировки грани С и(001) ионами неона, причем оказалось, что область излома зависимостей <S($) коррелирует по углу с увеличением потерь энергии отраженных частиц. Причины, приводящие к возрастанию потерь энергии в некоторой области сильно скользящих углов обсуждались выше в главе Ш. Отмечалось что аномальное увеличение энергетических потерь может быть объяснено наличием длиннопробежных траекторий частиц, возникающих в режиме поверхностного каналирования (поверхностного гиперканалирования). Согласно /83/ с закономерностями поверхностного гиперканалирования может быть непосредственно связан механием распыления обусловленный прямым выбиванием частиц. Увеличение вклада в распыление за счет механизмов прямого выбивания в работе /83/ связывается со значительной плотностью траекторий первичных частиц вблизи дна потенциальной "долины". Следуя Линдхарду /41/ упругую потерю энергии частицы на длине й^ вдоль цепочки атомов, т.е. передачу энергии одному атому кристалла можно выразить уравнением

E = га

При условии превышения л Е над поверхностной энергией связи Есв атомы будут покидать поверхность, когда вектор их начальной скорости направлен наружу от поверхности мишени. Отсюда следует, что можно выделить эффективную область радиуса R внутри которой осуществляется прямое выбивание атомов.

Частицы, движущиеся в потенциальных долинах имеют значительную длину траектории, поэтому суммарный вклад от столкновений, схематично изображенных на рис.4.10а и может быть существенным. Расчетная угловая зависимость коэффициентов распыления в результате прямого выбивания согласно /83/ показана на рис.4.106.

Отметим, что полученные в /83/ абсолютные значения коэффициента распыления носят оценочный характер, поскольку использование

200 400 600 Ех,эЬ j

Рис.4.10. а) - механизмы прямого выбивания в режиме поверхностного каналирования; б) - угловая зависимость коэффициента распыления в результате прямого выбивания атомов согласно расчету /83/.

- 156 непрерывного приближения предполагает сохранение поперечной компоненты скорости частицы, а следовательно не позволяет корректно учесть упругие потери энергии на выбивание атомов.

Широкие возможности машинного моделирования позволяют проанализировать вклад различных механизмов в распыление при изменении угла падения пучка ионов, см.рис.4.II. Из рисунка видно,что если вклад от цепочек соударений вдоль осей /ПО7 и /1007 изменяется одинаковым образом в широком диапазоне углов, повторяя общий ход кривой коэффициента распыления, то вклад атомов, распыленных в процессах прямого выбивания возрастает в области скользящих углов и проходит через максимум при 9~ 82-83° /53 /.

Зависимости <S С^), полученные в наших экспериментах в области сильно скользящих углов отличаются как от расчета в непрерывном приближении /83/, так и от результатов более строгого расчета в рамках модели бинарных взаимодействий /53/. Из рис.4.1 видно, что при 84° < б <87,5° экспериментальная кривая «^(6) проходит выше расчетной. Кроме того, эксперименты не обнаружили резкого "всплеска" величины <S {&), который может быть обусловлен механизмами прямого выбивания частиц при условиях поверхностного каналирования. Тем не менее эксперименты выявили (рис.4.1, 4.2), что характер убывания коэффициента распыления изменяется, в области сильно скользящих углов отмечается тенденция к уменьшению скорости убывания коэффициента распыления.

Изменение характера распыления в области "сильно скользящих углов (изломы кривых проявляются также на угловых зависимостях интенсивности ионно-фотонной эмиссии. Зависимости имеют ступеньки, наиболее отчетливо проявляющиеся при относительно низких энергиях при бомбардировке мишеней ионами неона. Смещение ступенек в область меньших значений 6 качественно согласуется с результатами /83/, предсказывавдими увеличение выхода распыления в малоугловой области за счет эффектов поверхностного

Рис.4.11. Результаты численного моделирования угловой зависимости коэффициента распыления грани Сч(001) под воздействием бомбардировки ионами Ar\ Е = ЗОкэВ. РКА, V дф Рфф-вклады в распыление механизмов прямого выбивания, директонов (Нф и ^100^ соответственно. Пунктир - поликристаллическая медь. Данные взяты из /53/. каналирования.

Оценить вклад механизма прямого выбивания цри скользящих углах применительно к результатам нашего эксперимента позволяет численный расчет, проведенный Чубисовым /88/ в рамках модели динамического блока атомов. Шаг интегрирования по времени составляла"t 0,15 (А)//^ , где - начальная скорость иона. Толщина мишени составляла 2 элементарные ячейки, т.е. 5 атомных слоев. Потенциал взаимодействия 1г d) был выбран в форме Колбицера-Ойцмана /96/. Неупругие потери вычислялись согласно формуле Оена-Робинсона /97/. Атомы верхних двух слоев, которые могли бы покинуть поверхность мишени, вычислялись из следующих условий: во-первых, их импульсы должны быть направлены наружу от поверхности мишени, во-вторых, их кинетическая энергия должна превышать величину t(0B= 4,6 эВ (значение энергии связи взято из расчета /53/).

Имитация распыления с верхних двух атомных слоев,см.рис.4.2 показала, что максимальное число атомов, выбитых одной частицей в среднем может составлять 2,2 (атом/ион) при углах =84°-85°. Для тех же углов в эксперименте получены значения коэффициента распыления S- 6 (атом/ион). Отсюда следует, что расчетный вклад первично выбитых атомов сможет достигать порядка 40% от экспериментального значения S . В расчете /53/, см.рис.4.II, максимум первично выбитых частиц приходится на угол 0 = 82° и составляет величину 20% от полного коэффициента распыления. Таким образом видно, что при скользящих углах первично выбитые атомы составляют ощутимую долю продуктов распыления и, следовательно, могут влиять на характер поведения коэффициента распыления.

Отмеченные особенности распыления коррелируют с немонотон-ностями в поведении характеристик отражения.На основании результатов, представленных в главе Ш в интервалах углов (^соответствующих изломам зависимостей S {&) ,см.рис.4,1, 4,2 обнаружены немонотонные изменения пространственных и энергетических характеристик потоков отраженных ионов, которые могут быть объяснены длинно-пробежными траекториями вблизи поверхности. Характерными углами, при которых реализуется режим поверхностного каналирования для ионов неона Е = 15 кэВ можно считать угол £7(^=5,5°( & = 84,5°), для ионов аргона Е = 30 кэВ - угол оС п = 4° ( & = 86°). Можно ожидать, что в окрестности указанных значений углов ^вклад механизма прямого выбивания в распыление максимален. В пользу этого заключения также свидетельствуют результаты исследования направлений преимущественного выхода распыленных частиц, представленные в §4.3 в случае бомбардировки грани Cu(OOI) под скользящими углами. Обнаруженный экспериментально эффект эмиссии частиц в плоскости, перпендикулярной оси ионного пучка, см. рис.4.56,в, качественно согласуется с результатами численного моделирования /54/ см. рис.4.5г, объясняющего формирование полосы осадка на коллекторе вкладом атомов, распыленных в прямых соударениях с налетающими первичными частицами.

- 160 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в диссертации результаты получены в цикле экспериментальных исследований взаимодействия ускоренных заряженных частиц с кристаллическим твердым телом и описывают круг явлений, . связанных с разрушением поверхности мишени в случае скользящих углов падения. При этом основное внимание было уделено угловым зависимостям распыления вещества мишени, распылению атомов вещества мишени в возбужденном состоянии, а также, связанных с распылением процессов отражения налетающих частиц и процессов передачи энергии от налетающей частицы атомам вещества мишени. Основные результаты диссертации изложены в работах /75-80, 86-89/ и состоят в следующем.

1. Создана установка, позволяющая проводить экспериментальные исследования процессов распыления, ионно-фотонной и ионно-электронной эмиссии под воздействием ионной бомбардировки поверхностей твердых тел под скользящими углами.

2. Экспериментально исследованы угловые зависимости коэффициента распыления монокристаллов в области скользящих углов падения ионов, вплоть до 87,5° относительно нормали к поверхности мишени. Установлены конкретные формы угловых зависимостей коэффициента распыления граней (001) и (011) монокристаллов меди под воздействием бомбардировки ионами инертных газов с энергиями в десятки килоэлектронвольт.

3. Обнаружено, что коэффициент распыления монокристаллов в области скользящих углов имеет максимум, положение которого зависит от выбора грани кристалла, а также массы и энергии ионов. Угловая зависимость коэффициента распыления монокристаллов при скользящих углах имеет область локального уменьшения коэффициента распыления, совпадающие по направлению с кристаллографическими осями мишени, в том числе и высокоиндексными.

4. Проведены экспериментальные исследования интенсивности фотонной эмиссии распыленных атомов. Корреляции, обнаруженные между угловыми зависимостями фотонной эмиссии и распыления, позволяют судить об общих закономерностях распыления монокристаллов на основании измерений интенсивности оптического излучения распыленных атомов.

5. В области скользящих углов детально исследованы пространственные и энергетические характеристики потоков ионов, отраженных от поверхности монокристаллов. Эксперименты позволили определить энергию фокусировки частиц в поверхностных полуканалах, оптимальную энергию поверхностного каналирования и критическую энергию поверхностного каналирования.

6. Экспериментально показано, что вблизи направления полуканалов в условиях оптимальной фокусировки поток отраженных ионов обладает не только острой направленностью, но и узкими энергетическими распределениями. Отраженные ионы сохраняют как большую часть своей первоначальной энергии, так и обладают большей монохроматичностью по сравнению со случаем отражения от произвольно ориентированного монокристалла, либо поликристаллической мишени.

7. В приближении непрерывного потенциала атомного ряда проведен численный расчет траекторий движения частиц в полуканалах, выполненный при помощи ЭВМ. Показано, что использование простой физической модели в расчете позволяет качественно описать закономерности рассеяния частиц в полуканалах.

8. На основании сравнения экспериментальных данных по распылению и отражению частиц в случае монокристаллических и поликристаллических мишеней, проведенных оценок и результатов численного расчета в приближении непрерывного атомного ряда, а также анализа результатов численного моделирования, полученных различными авторами, сделан вывод о том, что эффекты фокусировки ионов в поверхностных полуканалах могут существенным образом влиять на характер распыления монокристаллов.

9. На основании анализа особенностей распыления и отражения частиц от монокристаллов и результатов численных расчетов показано, что механизмы прямого выбивания могут вносить существенный вклад в распыление при сильно скользящих углах падения пучка ускоренных частиц на поверхность монокристалла.

В заключение выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю Б.С.Машковой за предложение темы работы, помощь в её выполнении и обсуждение результатов. Я глубоко признателен В.А.Молчанову за постоянный интерес к работе, помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов. Благодарю А.М.Борисова, Ш.Н.Гарина, А.И.Додонова, В.А.Снисаря за помощь в работе и многочисленные дискуссии, С.И.Прокофьева за предоставление кристаллов, В.И.Шульгу , И.Н.Евдокимова за интерес к работе и полезные замечания. Выражаю благодарность отделу физики плазмы и колективу мастерских НИШФ МГУ за неизменно благожелательное отношение к моей работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Флёров, Владимир Борисович, 1985 год

1. Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество. Пер. с англ. М., Иностр. лит., 1950г., 149с.

2. Грицина В.В. 0 моделях образования возбужденных частиц при ионной бомбардировке твердых тел. Поверхность. Физика, химия, механика, 1982, 4, с.62-71.

3. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой (Под ред. Р.Бериша). Пер. с англ., М., Мир, 1984г., 336с.

4. Плешивцев Н.В. Катодное распыление.,М. ,Атомиздат, 1968г. ,347с.

5. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. М., Мир, 1967г., 506с.

6. Drentje S.A. Sputtering of А(100) copper face bombarded by 34 80 keV argon ions as a function of the angle of incidence. - Physics Letters, 1967, 25A, p.433-435.

7. Moore W.J., O'Briain C.D., binder A. The interaction of ionic beams "with solid surfaces. Ann. N.Y. Acad. Sci., 1957, 67, p.600-618.

8. Машкова E.C., Молчанов В.А. Рассеяние ионов средних энергий поверхностями твердых тел. М., Атомиздат, 1980г., 174с.

9. Лейман К. Взаимодействие излучения с твердым телом и образование элементарных дефектов. Пер. с англ. М., Атомиздат, 1979г., 296с.

10. Рыжов Ю.А. Взаимодействие разреженного потока большой скорости с поверхностью твердого тела. В сб."Проблемы механики и теплообмена в космической технике (Под ред. О.Н.Белоцерков-ского). М., Машиностроение, 1982г., с. 99-114.

11. Almen О.Е., Bruce G. Collection and sputtering experiments with noble gas ions. Nuclear Instrum. and Meth. North -Holland Publ. Co., 1961, 11, p.279-283.2.

12. Almen O.E., Bruce G. Sputtering experiments in the high- 164 energy region. Nuclear Instrum. and Meth. North -Holland Publ. Co.,1961, 11, p.257-260.

13. Seeliger R., Sommermeyer K. Zur theorie der Kathodazen-staubang.- Z. Physik, 1942, 119, p.482-485.

14. Wehner G.K. and Rosenberg D. Angular distribution of sputtered materials. J. Applied Physics, 1960, 31, p.177-180.

15. Wehner G.K. Sputtering of metal single crystals by ion bombardment. J. Applied Physios, 1955, 26, p.1056-1059.

16. Рол П., Флюит Й.М., Кистемакер И. Распыление меди при бомбардировке ионами в диапазоне энергтй 5-25 кэВ. В сб. "Электростатические ракетные двигатели". М., Мир, 1964г., с. 151 - 159.

17. Cobic В., Perovic В. Angular distribution of sputtered particles and sputtered rate for high speed ions.

18. Symp. on ionization phenomena in gases, p.206, Amsterdam, North-Holland Publ. Co., 1960.

19. Petz H. Uber die Beeinflussung eines quecksilbervakuum Bogens mit einem Steuergitter im Plasma.

20. Ann. Physic, 1940, 37, p.1-5.

21. Молчанов В.А., Тельковский В.Г. Изменение коэффициента катодного распыления в зависимости от угла падения ионов на мишень. ДАН СССР, 1961г., 136, с. 801-803.

22. Душков И.И., Молчанов В.А., Тельковский В.Г., Чичеров В.М. Некоторые угловые закономерности катодного распыления. -ТО, 1961г., 31, с.1012.

23. Машкова Б.С., Молчанов В.А. Угловые закономерности распыления и ионно-электронной эмиссии при больших углах падения ионов на мишень. ШФ, 1964г., 34 , с.2081.- 165

24. Cheney K.B., Pithkin E.T. Sputtering at acute incidence. -J. Applied Physics, 1965, 36, p.3542-3544.

25. Dupp 6., Schaxmann A. Die Zerstaubung von Kuper durch Edelgas Ionen im Energiebereich von 100 keV bis 1 MeV als Funktion des Einfallswinkels (Ne+, Ar+,Kr+,Xe+).

26. Z. Physik, 1966, 194, p.448-452.

27. Bay H.L. and Bohdansky J. Sputtering yields for lightions as a function of angle of incidense. Applied Physics, 1979, 19, p.421-426.

28. Oechsner H. Sputtering a review of some recent experimental and theoretical aspects. - Applied Physics, 1975» 8,p. 185-198.

29. Thompson M.W. Physical mechanisms of sputtering. -Physical Reports 1981, 69, p.338-371.

30. Wehner G.K. Controlled sputtering of metals Ъу low energy Hg-ions. Physical Review, 1956, 1o2, p.69o-699.

31. Молчанов B.A., Тельковский В.Г., Чичеров В.М. Угловое распределение распыленных частиц при облучении монокристалла ионным пучком. ДАН СССР, 1961г., 138, с.824-827.

32. Квливвдзе В.А., Машкова Б.С., Молчанов В.А. Угловые закономерности взаимодействия ионных пучков с поверхностью моно- 166 кристалла. Изв. АН СССР, Сер. физ., 1964г.,28, с.1409-1410.

33. Onderdelinden D. The influence of channeling on Cu single-crystal sputtering Applied Physics Letters, 1966,8, p.187-188.

34. Томпсон M. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. Пер. с англ., М., Мир, 1971г., 367с.

35. Дине Дж., Винйард Дж. Радиационные эффекты в твердых телах. Пер. с англ., М., Мир, 1960г., 243с.

36. Silsbee R.H. Focusing in collision problems in solids.- J. Applied Physios, 1957, 28, p.1246-1249.

37. Nelson R.S., Tompson M.W. Atomic collision sequences in crystals of copper, silver and gold revealed by sputtering in energetic ion beams. Proc. Roy. Soc., 1961, A259,1. H" 1299, p.458.

38. Lehmann Chr., Sigmund P. On the mechnism of sputtering.- Physica Status Solidi, 1966, 16, p. 507-511.

39. Линдхард И. Влияние кристаллической решетки на движение быстрых заряженных частиц. УФН, 1966г., 2 , с.249-296.

40. Одинцов Д.Д. О зависимостях распыления монокристаллов от направления падения частиц. ФТТ, 1963г., 5, с.1114-1118.

41. Одинцов Д.Д. 0 распылении монокристаллов в зависимости от направления падения частиц. Изв. АН СССР, Сер. физ., 1964г., 28, с.1427-1430.

42. Мартыненко Ю.В. 0 зависимости коэффициента распыления отшергии ионов. ФТТ, 1964г., 6, с.3529-3531.

43. Мартыненко Ю.В. К теории распыления монокристаллов. -ФТТ, 1966г., 8, с. 2109 2112.

44. Onderdelinden D. Single-crystal sputtering including the channeling phenomenon. Canadian J. of Phys., 1968, 46, p.739-745.

45. Shulga V.I. Computer simraulation of single crystal and polycrystal sputtering II. Radiation Effects, 1984, 82, p. 169-187.

46. Witcomb M.J. The angular dependence of the sputter-yield maxima. Radiation Effects, 1976, 27, p.223-227.

47. Witcomb M.J. Ion reflection and the angular sputter-yield peak position. Radiation Effects, 1977, 32, p.205-211.

48. Булгаков Ю.В. 0 вычислении коэффициентов распыления с учетом дефектов, вносимых в структуру металла ионным пучком. -Изв. АН СССР, Сер. физ., 1964г., 28, с.1474-1477.

49. Ю. Evdokimov I.JT. ,Yan der Berg J.A., Armour D.G. Propersurface channeling of low energy argon ions incident on a nickel (110) crystal. Radiation Effects, 1979, 41, p. 33-41

50. Я. How M., Robinson M.T. Computer studies of low energy scattering in crystalline and amorphous targets. Nuclear Instrum. and Methods, 1976, 132,p.641-654.

51. Hou M., Robinson M.T. The conditions of total reflection of low-energy atoms from crystal surfaces. Applied Physics, 1978, 17, p.371-375.

52. Молчанов В,А., Тельковский В.Г. Масс-монохроматор с двойной фокусировкой в секторном магнитном поле. Вестник МГУ, 1961г., I, с.22-24.

53. Кельман В.М., Явор С.Я. Элекаронная оптика. 3-е изд. переработ, и доп., Л., Наука, 1968г.

54. Машкова Е.С., Молчанов В.А., Свинка Ю.Г. Анизотропия просаран-ственного распределения ионов, рассеянных монокристаллом. -ДАН СССР, 1970г., 190, с.73-76.

55. Mashkova E.S, Molchanov V.A., Soshka W. Influence of the thermal vibrations of the crystal lattice upon the energy distributions of scattered ions.-Physica Status Solidi,1967,19,p425-428.

56. Balashova L.L., Borisov A.M., Garin Sh.N., Molchanov V.A., Snisar V.A., Fleurov 7.B. Relationships between the angular dependences of sputtering yield and photon emission of sputtered atoms.-Radiation effects, 1985, to be publ.

57. Рыжов B.H., Теплов С.В. Влияние угла бомбардировки на интенсивность ионно-фотонной эмиссии лития. Тезисы докладов в сб. "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссиия", Харьков, 1983г., с.156 - 157.

58. Morrow M.R., Auciello 0., Dzioba S., Kelly R. On the problem of whether the transition probability plays a role in describing second, photon yields.-Surf. Sci. 1980, 97,p.243-256.

59. Karpuzov D.S., Evdokimov I.IT., Armour D.G., Carter G. Identification of ion path in crystal surface channels. Physics Letters, 1978, 68A, p.485-487.

60. Sizmann R., Yarelas C. Surface Channeling. Nuclear Instrum. and Meth., 1976, 132, p.633-638.

61. Балашова Л.Л., Гарин Ш.Н., Додонов А.И., Флеров В.Б., Машкова Е С- 170

62. Молчанов В.А. Экспериментальное определение предельной энергии поверхностного каналирования. Письма в ЖТ£, 1982г., 8, с. 840 - 844.

63. Машкова Е.С., Флеров В.Б. Отражение ионов от монокристаллов при скользящем падении. Поверхность. Физика, химия, механика, 1983г., 3, с.41 - 46.

64. Mashkova E.S., FleUrov V.B. Effects of surface semi-channeling on the energy distribution of reflected ions. Radiation Effects Letters, 1984, 86, p.115-120.

65. Машкова Б.С., Флеров В.Б. Отражение ионов неона от медных мишеней при скользящем падении. Тезисы докладов в сб. "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия." Харьков, 1983г.,с. 233 235.

66. Машкова Б.С., Флеров В.Б. Ориентационные зависимости энергетических распределений отраженных ионов в поверхностном кана-лировании. Поверхность. Физика, химия, механика, 1984г.,4, с. 40-43.

67. Mashkova E.S., Fleurov V.B. Small-angle ion reflection from single crystals. Radiation Effects, 1984,80, p. 227-239.

68. Евдокимов й.Н. Угловые закономерности эффекта каналирования ионов аргона на поверхности кристалла никеля. Поверхность. Физика, химия, механика, 1983г., 7,с.48 - 56.

69. Евдокимов й.Н., Машкова Б.С., Молчанов В.А. Об экспериментальной проверке модели цепочки при рассеянии ионов кристаллами.- ДАН СССР, 1969г., 186, с.549 552.

70. Евдокимов И.Н. Взаимосвязь эффектов рассеяния и распыления при ионной бомбардировке поверхностей кристаллов. Поверхность. Физика, химия, механика, 1984г., 8, с. 31 - 38.

71. Moller W., Eckstein W. Effects of target crystallinity- 171 on the range distributions of hidrogen ions in metals. -Nuclear Instrum. and Meth., 1982, 194, p.121-124.

72. Машкова E.C., Молчанов В.А., Шульга В.И. Определение энергии фокусировки полуканала из данных по поверхностному рассеянию. -ЛИ, 1982г., 52, с.532-534.

73. Машкова Е.С., Молчанов В.А., Флёров В.Б. Угловые зависимости коэффициентов распыления и ионно-электронной эмиссии при скользящем падении ионов на монокристаллы. Письма в ЖТФ, 1984г., 10, C.I006-I0I0.

74. Auciello 0. Experimental evidence for the recoil sputtering mechanism as a source of high-energy exited sputtered parti-cules. Physical Review B, 1981 , 24, p.4065-4067.

75. Thomas E.W. Inelastic surface collisions. Applied Atomic Collision Physics, 1985, 4, p.299-326.

76. Jimenez-Rodrigez J.J., Karpuzov P.S., Armour D.G. The angle of incidence dependence of ion bombardment induced photon emission from solids. Surface Science, 1984, 136, p.155-168.

77. Snoek C., van der Weg W.F., Rol P.K. Photon emission by ionically bombarded copper surfaces. Physica, 1964, 30, p.341-344.

78. Козель B.B.,Лабзин В.Г. Корреляции в угловых зависимостях ионно-электронной и фотонной эмиссиий.-В сб. "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", ч. II, с. 33-36, Минск, 1978г.

79. Borisov A.M. Application of the transparency model to the description of single-crystal sputtering at small sliding angles of incident ions. Radiation Effects, 1985,to be publ.

80. Kalbitzer S., Oetzmann H. Ranges and range theory. -Preprint MPI H-V20-1978, Heidelberg, 1978.

81. Oen O.S., Robinson M.T. Computer studies of the reflection of light ions from solids. Nuclear Inst rum. and Meth., 1976, 132, p.647-653.

82. Komarov , Kumakhov M.A., Zhevago N.K. On deflection and focusing of charged and neutral particles. Radiation Effects Letters, 1983, 76, p.119-123.