Püskürtme - Sputtering

Cornell NanoScale Bilim ve Teknoloji Tesisinde ticari bir AJA Orion püskürtme sistemi

Fizikte püskürtme , katı bir malzemenin mikroskobik parçacıklarının , malzemenin kendisi bir plazma veya gazın enerjik parçacıkları tarafından bombardımana tutulduktan sonra yüzeyinden atıldığı bir olgudur . Dış uzayda doğal olarak oluşur ve hassas bileşenlerde istenmeyen bir aşınma kaynağı olabilir . Bununla birlikte, son derece ince malzeme katmanları üzerinde hareket ettirilebilmesi gerçeği bilim ve endüstride kullanılmaktadır - orada, hassas dağlama yapmak, analitik teknikleri gerçekleştirmek ve optik kaplamaların imalatında ince film tabakaları biriktirmek için kullanılır. , yarı iletken cihazlar ve nanoteknoloji ürünleri. Bu a, fiziksel buhar çöktürme tekniği.

Fizik

Enerji yüklü iyonlar hedef malzemenin atomlarıyla çarpıştığında, aralarında bir momentum değişimi gerçekleşir.

Doğrusal çarpışma kademesinden püskürtme. Kalın çizgi, altındaki her şey malzemenin içindeki atomlarla birlikte yüzeyin konumunu gösterir ve daha ince çizgiler, atomların başlangıçtan duruncaya kadar balistik hareket yollarını gösterir. Mor daire gelen iyondur. Kırmızı, mavi, yeşil ve sarı daireler sırasıyla birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül geri tepmeleri göstermektedir. Atomlardan ikisi numuneden çıkar, yani püskürtülürler.

"Olay iyonları" olarak bilinen bu iyonlar, hedefte çarpışma basamaklarını başlatır . Bu tür kaskadlar birçok yol alabilir; bazıları hedefin yüzeyine doğru geri tepiyor. Bir çarpışma kaskadı hedefin yüzeyine ulaşırsa ve kalan enerjisi hedefin yüzey bağlama enerjisinden büyükse , bir atom fırlatılacaktır. Bu işlem "püskürtme" olarak bilinir. Hedef inceyse (atomik ölçekte), çarpışma kaskadı arka tarafına ulaşabilir; bu şekilde fırlatılan atomların "iletimde" yüzey bağlama enerjisinden kaçtığı söylenir.

Gelen iyon başına hedeften fırlatılan ortalama atom sayısına "sıçratma verimi" denir. Sıçratma verimi birkaç şeye bağlıdır: iyonların malzemenin yüzeyiyle çarpışma açısı, ne kadar enerji ile çarptıkları, kütleleri, hedef atomların kütleleri ve hedefin yüzey bağlama enerjisi. Hedef kristal bir yapıya sahipse, eksenlerinin yüzeye göre yönelimi önemli bir faktördür.

Püskürtmeye neden olan iyonlar çeşitli kaynaklardan gelir - plazmadan , özel olarak oluşturulmuş iyon kaynaklarından , parçacık hızlandırıcılardan , uzaydan (örneğin güneş rüzgarı ) veya radyoaktif malzemelerden (örneğin alfa radyasyonu ) gelebilirler .

Amorf düz hedefler için kademeli rejimde püskürtmeyi açıklamaya yönelik bir model, Thompson'ın analitik modelidir. TRIM programında, yüksek enerjide elektron sıyrılmasını içeren bir kuantum mekanik işleme dayalı püskürtmeyi simüle eden bir algoritma uygulanmaktadır .

Fiziksel püskürtmenin başka bir mekanizmasına "ısı ani püskürtme" denir. Bu, katı yeterince yoğun olduğunda ve gelen iyon yeterince ağır olduğunda, çarpışmalar birbirine çok yakın olduğunda meydana gelebilir. Bu durumda, ikili çarpışma yaklaşımı artık geçerli değildir ve çarpışma süreci çok cisimli bir süreç olarak anlaşılmalıdır. Yoğun çarpışmalar , kristalin küçük bir bölümünü eriten bir ısı artışına (termal başak da denir) neden olur. Eğer bu kısım yüzeyine yeterince yakınsa, yüzeye sıvı akışı ve/veya mikro patlamalar nedeniyle çok sayıda atom fırlatılabilir. Isı sıçraması püskürtme, enerjileri keV-MeV aralığında olan ağır iyonlar (örn. Isı sıçraması püskürtme genellikle enerji ile doğrusal olmayan bir şekilde artar ve küçük küme iyonları için küme başına 10.000 mertebesinde çarpıcı püskürtme verimine yol açabilir. Böyle bir işlemin animasyonları için harici bağlantılar bölümündeki "Re: Yer Değiştirme Basamağı 1"e bakın.

Fiziksel püskürtme, iyondan hedef atoma maksimum enerji transferinin bir yüzey atomunun bağlanma enerjisine eşit olduğu iyon enerjisine eşit veya ondan daha büyük, iyi tanımlanmış bir minimum enerji eşiğine sahiptir. Başka bir deyişle, yalnızca bir iyon, bir atomun yüzeyinden kopması için gerekenden daha fazla enerjiyi hedefe aktarabildiğinde gerçekleşebilir.

Bu eşik tipik olarak on ila yüz eV aralığında bir yerdedir .

Tercihli püskürtme , çok bileşenli bir katı hedef bombardıman edildiğinde ve katı hal difüzyonu olmadığında başlangıçta meydana gelebilir. Enerji aktarımı hedef bileşenlerden birine daha verimliyse veya katıya daha az güçlü bir şekilde bağlıysa, diğerinden daha verimli püskürtülür. Bir AB alaşımında A bileşeni tercihen püskürtülürse, uzun süreli bombardıman sırasında katının yüzeyi B bileşeninde zenginleşecek, böylece B'nin püskürtülme olasılığını artıracak ve böylece püskürtülen malzemenin bileşimi eninde sonunda eski haline dönecektir. AB.

elektronik püskürtme

Elektronik saçtırma terimi , ya enerjik elektronlar tarafından indüklenen saçtırma (örneğin bir transmisyon elektron mikroskobunda) ya da çoğunlukla elektronik durdurma gücü ile katıya enerji kaybeden çok yüksek enerjili ya da yüksek yüklü ağır iyonlar nedeniyle saçılma anlamına gelebilir . elektronik uyarılar püskürtmeye neden olur. Elektronik püskürtme, püskürtmeye neden olan elektronik uyarılar bir iletkende olduğu gibi hemen söndürülmediğinden, yalıtkanlardan yüksek püskürtme verimleri üretir . Bunun bir örneği, Jüpiter buzla kaplı uydudur Avrupa Jüpiter magnetosphere bir MeV kükürt iyonu 10.000 H kadar püskürtebilir, 2 O molekülleri.

Potansiyel püskürtme

Ticari bir püskürtme sistemi

Çoklu yüklü mermi iyonları durumunda, potansiyel püskürtme olarak adlandırılan belirli bir elektronik püskürtme biçimi gerçekleşebilir . Bu durumlarda, çok yüklü iyonlarda depolanan potansiyel enerji (yani, nötr atomundan bu yük durumundaki bir iyonu üretmek için gerekli olan enerji), iyonlar katı bir yüzeye çarpma sırasında ( içi boş atomların oluşumu ) yeniden birleştiğinde serbest kalır . Bu püskürtme işlemi, gözlenen püskürtme verimlerinin, çarpan iyonun şarj durumuna güçlü bir bağımlılığı ile karakterize edilir ve zaten, fiziksel püskürtme eşiğinin çok altındaki iyon darbe enerjilerinde gerçekleşebilir. Potansiyel püskürtme sadece belirli hedef türler için gözlemlenmiştir ve minimum potansiyel enerji gerektirir.

Dağlama ve kimyasal püskürtme

İnert bir gazla püskürterek atomları uzaklaştırmaya iyon öğütme veya iyon aşındırma denir .

Püskürtme, kimyasal olarak aktif iyonlar ve radikallerle yürütülen bir plazma işlemi olan reaktif iyon aşındırmada (RIE) de rol oynayabilir ve bunun için püskürtme verimi, saf fiziksel püskürtme ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde arttırılabilir. Reaktif iyonlar , püskürtme hızlarını arttırmak için ikincil iyon kütle spektrometrisi (SIMS) ekipmanında sıklıkla kullanılır . Si'nin flor aşındırması durumu teorik olarak iyi modellenmiş olmasına rağmen, püskürtme artışına neden olan mekanizmalar her zaman iyi anlaşılmamıştır.

Fiziksel püskürtmenin eşik enerjisinin altında gerçekleştiği gözlemlenen püskürtme, genellikle kimyasal püskürtme olarak da adlandırılır. Bu tür püskürtmenin arkasındaki mekanizmalar her zaman iyi anlaşılmamıştır ve kimyasal aşındırmadan ayırt etmek zor olabilir . Yüksek sıcaklıklarda, karbonun kimyasal saçılmasının, gelen iyonların numunedeki bağları zayıflatması ve daha sonra termal aktivasyon ile desorbe olması nedeniyle anlaşılabilir. Düşük sıcaklıklarda gözlenen karbon bazlı malzemelerin hidrojen kaynaklı saçılması, H iyonlarının CC bağları arasına girmesi ve böylece onları kırması ile açıklanmıştır, bu mekanizma hızlı kimyasal saçtırma olarak adlandırılır .

Uygulamalar ve fenomenler

Püskürtme, yalnızca gelen parçacıkların kinetik enerjisi geleneksel termal enerjilerden ( ≫ 1 eV ) çok daha yüksek olduğunda gerçekleşir . Doğru akım (DC püskürtme) ile yapıldığında 3-5 kV gerilimler kullanılır. Alternatif akımla ( RF püskürtme) yapıldığında , frekanslar 14MHz aralığındadır.

Püskürtme temizleme

Katıların yüzeyleri, vakumda fiziksel püskürtme kullanılarak kirleticilerden temizlenebilir . Püskürtme temizleme genellikle yüzey bilimi , vakum biriktirme ve iyon kaplamada kullanılır . 1955'te Farnsworth, Schlier, George ve Burger, düşük enerjili elektron kırınımı (LEED) çalışmaları için ultra temiz yüzeyler hazırlamak için ultra yüksek vakumlu bir sistemde püskürtme temizleme kullandığını bildirdi. Püskürtme temizleme, iyon kaplama işleminin ayrılmaz bir parçası haline geldi . Temizlenecek yüzeyler büyük olduğunda, benzer bir teknik olan plazma temizleme kullanılabilir. Püskürtme temizleme, aşırı ısınma, yüzey bölgesinde gaz birikmesi, yüzey bölgesinde bombardıman (radyasyon) hasarı ve özellikle aşırı yapılırsa yüzeyin pürüzlenmesi gibi bazı potansiyel sorunlara sahiptir . Püskürtme temizliği sırasında yüzeyi sürekli olarak yeniden kirletmemek için temiz bir plazmaya sahip olmak önemlidir . Püskürtülen malzemenin alt tabaka üzerinde yeniden birikmesi, özellikle yüksek püskürtme basınçlarında sorun yaratabilir. Bir bileşik veya alaşım malzemesinin yüzeyinin püskürtülmesi, yüzey bileşiminin değişmesine neden olabilir. Genellikle en az kütleye veya en yüksek buhar basıncına sahip olan tür, tercihen yüzeyden püskürtülen türdür.

Film biriktirme

Ana madde: Sputter biriktirme

Püskürtme biriktirme , bir "hedef" kaynaktan bir "alt tabakaya", örneğin bir silikon levha , güneş pili, optik bileşen veya diğer birçok olasılık üzerine malzeme aşındırmayı içeren püskürtme yoluyla ince filmleri biriktirme yöntemidir . Resputtering , aksine, biriken malzemenin yeniden emisyon örneğin SiO içeren 2 iyon bombardımanı ile de çöktürme sırasında paslanmaktadır.

Püskürtülen atomlar gaz fazına atılır ancak termodinamik denge durumunda değildir ve vakum odasındaki tüm yüzeylerde birikme eğilimindedir. Hazneye yerleştirilen bir substrat (bir gofret gibi) ince bir film ile kaplanacaktır. Püskürtme biriktirme genellikle bir argon plazması kullanır, çünkü asil bir gaz olan argon, hedef malzeme ile reaksiyona girmez.

dağlama

Yarı iletken endüstrisinde, hedefi aşındırmak için püskürtme kullanılır. Püskürtmeli dağlama, yüksek derecede dağlama anizotropisinin gerekli olduğu ve seçiciliğin bir sorun olmadığı durumlarda seçilir . Bu tekniğin önemli bir dezavantajı, gofret hasarı ve yüksek voltaj kullanımıdır.

Analiz için

Püskürtmenin başka bir uygulaması da hedef malzemeyi aşındırmaktır. Böyle bir örnek , hedef numunenin sabit bir hızda püskürtüldüğü ikincil iyon kütle spektrometrisinde (SIMS) meydana gelir . Hedef püskürtülürken, püskürtülen atomların konsantrasyonu ve kimliği kütle spektrometrisi kullanılarak ölçülür . Bu şekilde, hedef malzemenin bileşimi belirlenebilir ve hatta son derece düşük konsantrasyonlarda (20 µg/kg) safsızlıklar saptanabilir. Ayrıca, püskürtme sürekli olarak numuneyi daha derine aşındırdığı için, derinliğin bir fonksiyonu olarak konsantrasyon profilleri ölçülebilir.

Boşlukta

Püskürtme, asteroitler ve Ay gibi havasız cisimlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini değiştiren bir süreç olan uzay aşınmasının biçimlerinden biridir . Buzlu uydularda, özellikle de Europa'da , yüzeyden fotolize edilmiş suyun püskürtülmesi, net hidrojen kaybına ve yaşam için önemli olabilecek oksijen açısından zengin malzemelerin birikmesine yol açar. Püskürtme, Mars'ın atmosferinin çoğunu kaybetmesinin ve Merkür'ün yüzeyle sınırlı dış küresini sürekli olarak yenilemesinin olası yollarından biridir .


Referanslar

Dış bağlantılar