（粒子物理与原子核物理专业论文）高电荷态离子arqpbq在sicuw靶表面上的原子溅射研究.pdf

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- 4 0 0 k c v ，q = 2 0 ，2 4 ，3 0 ，3 2 ，3 5 ，3 6 ( c ) 入射离子p b 瓣，e k = 2 1 6 ，2 5 2 ，2 8 8 ，3 2 4 ，3 6 0 ，4 3 2 ，5 0 4 ，5 7 6 ，6 4 8 ，7 2 0 k e v ( f ) 入射离子p b “，f , = 8 0 k c v 实验结果表明：在上述实验条件下，( 1 ) ，a r q , - ，p b q + 轰击s i ，c u ，w 靶， 靶表面没有发生爆炸而导致原子溅射；其中a r q + 轰击s i ，c u ，w 靶，没有明显 的势能溅射效应。( 2 ) ，存在0 3 伽m y o 4 0 l ，m 一个入射离子速度共振区， 该区域不依赖于靶的材料性质，但原子溅射产额明显增多；( 3 ) ，溅射产额明显 地依赖于入射离子的核能损，核能损越大产额越多，其中a r m 在s i 靶表面引起 溅射的产额与核能损成j 下比关系。 关键词：低速高电荷态离子，相对溅射产额，速度共振区，核能损 4 兰州人学硕十论文 a b s t r a c t i th a sb r o u g h tal o to fi n t e r e s tt od os o m er e s e a r c ho ni n t e r a c t i o no f s l o wh i g h l y c h a r g e di o n s ( s h c i ) w i t hs o l i ds u r f a c e ，d u r i n gl a s t 2 0y e a r s ，s u c ha st h e n e u t r a l i z a t i o n p r o c e s s o fp r o j e c t i l e ，x m 弘a u g e re l e c t r o n ，a n ds u r f a c ea t o m s p u t t e r i n g m a n yu s e f u lc o n c l u s i o n sh a v eb e e ng o tb o t hi ne x p e r i m e n ta n dt h e o r yw a y f o ri t sh u g ep o t e n t i a le n e r g y , s h c im a yr e m o v eq u a n t i t yo fa t o m sf r o ms o l i ds u r f a c e s o ，s h c lw i t hl o wk i n e t i ce n e r g yc o u l dl e a dt on a n o s c a l em o d i f i c a t i o ni ns o l i d s u r f a c e , y e tn o tc a u s i n ga n yd i s t o r t i o ni nt h es o l i d s u r f a c ea t o ms p u t t e r i n gc a u s e db y s h c ii sav a l u a b l er e s e a r c ha tp r e s e n t e x p e r i m e n ta b o u ts h c i 加旷( f a = 2 0 - 3 2 0 k e v ，q = 8 ，1 1 ，1 3 ，1 5 ，1 6 ) ， p b q + ( f - , = 8 0 - 7 2 0 k e v ，q = 2 0 ，2 4 ，3 0 ，3 2 3 5 3 6 ) i n t e r a c t i n gw i t hd e a ns , c ua n d ws o l i dt a r g e tw a sp e r f o r m e da te c rp l a t f o r mi ni n s t i t u t eo fm o d e mp h y s i c s , t h e c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e t h et a r g e t sw e r ec l e a n e dw i t hs e r i e so fc h e m i c a la n d p h y s i c a lm e t h o d s r e l a t i v ey i e l dw i t h o u tn e g a t i v ep a r t i c l e sw a sd e t e c t e dw i t hi n c i d e n t a n g l eb e i n gv a r i e df r o m1 5 。t 0 7 5 。( s u r f a c ea t o m st o o k 叩n e a r l y9 9 9 o ft h e w h o l ed e t e c t e dp a r t i c l e s ) i nd e t a i l s ，t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t ht h ep r o j e c t i l e o f ( a ) a r q + ( e k = 1 6 0 k e v , q = 8 ，1 1 ，1 3 ，1 5 ，1 6 ) ( b ) a r 撕0 臣= 9 6 ，1 1 2 , 1 2 8 ，1 4 4 , 1 6 0 , 1 7 6 ，2 0 8 ，2 4 0 ，2 8 8 , 3 2 0 k e v ) ( c ) a r + ( e t = 2 0 k e v ) ( d ) p b q * ( f a - - 4 0 0 k e v , q = 2 0 ，2 4 ，3 0 ，3 2 ，3 5 ，3 6 ) ( c ) p b 3 6 + ( f _ 牝= 2 1 6 ，2 5 2 ，2 8 8 ，3 2 4 , 3 6 0 , 4 3 2 ，5 0 4 ，5 7 6 ，6 4 8 ，7 2 0 k e v ) ( dp b 4 * ( f a = 8 0 k e v ) i n t e r a c t i n gw i t hs i ，c u ，ws o l i dt a r g e t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f f e r e dal o to fi n f o r m a t i o n ( 1 ) s u r f a c ea t o mp o t e n t i a l s p u t t e r i n gw a sn o tv e r yd i s t i n c t i v ew h i l ea r q + i n t e r a c t i n gw i t hs i ，c u ，ws u r f a c e ，a n d n oe x p l o s i o nh a p p e n e di nt h et a r g e ts u r f a c e ，w h e nb o t ha r q + a n dp m + i n t e r a c t i n gw i t h 兰州人学顾i + 论文 s i ，c u ，ws u r f a c e ( 2 ) ar e s o n a n tv e l o c i t yr e 西o n o fi n c i d e n ti o n ( 0 3 0 v n , - , 5 0 ) 入射a u 靶表面，由于势能非常大， 每个入射离子能产生1 0 0 以上的次级电子【9 1 。f i g 1 1 中a r q * 掠射l i f ( 0 0 1 ) 表 面，掠射角掣1 3 f 表明次级电子产额的上限为r 。刍毒。 1 9 兰州大学硕士论文 p o t e n t i a le n e e d y e f i g 1 1 a r q “掠射i 强t 1 ) 表面电子产额s 入射离子势能2 闯的关系1 8 1 。 靶表面以上，电子产额由离子的势能引起的，此时发射电子是各向同性的， 即产额与探测角无关。靶表面以下溅射的电子产额则是由势能和动能两部分共同 引起的，电子产额与入射离子的入射角度有关。产额与入射角有以下关系【7 】： r ( 8 ) 一，( o ) c o s 一，口 ( 1 2 ) y p ) 。+ 。7 b ”( v c o s 8 ) + ) 啬1 3 ) 勉m q 如c o s 8 + e ( 1 4 ) 0 为入射角，0 5 l 8 k e v ，e i 1 5 k e v ) 也没有明显的势能溅射效应【1 3 ，1 4 】。另外对于不 是特别高的电荷态离予入射半导体材料s i ，g a a s 靶，实验结果与a u 靶类似， 总的靶原子溅射产额也主要与入射离子动能有关，势能溅射效应不明显【1 3 】。其 原因是离子的势能在极短时问内被靶中准自由电子消耗掉，来不及转化为溅射原 子方面的能量。 a x 伊- - 4 硅 l 兰 薹 k i n e t i c e _ n e t g y k e 协 f i g 1 3 , a 筋t , 4 u 靶慧的溅射产额s 八射动能z 间的 关系实线和虚线是鲥m 2 o 计算的结果。t 1 4 2 2 a 2 极高电荷态的溅射结果 当极高电荷态离子与固体靶表面相互作用时，它既能溅射出比自身数目大得 多的电子【9 】，也能溅射出比入射离子自身数日大得多的靶原子f l o 】。相对于多电 荷态离子入射，它能溅射出的离子，离子团的产额也大得多。其总的溅射产额( 非 电子) 和次级离子产额都强烈依赖于入射离子的电荷数，总的溅射产额和次级离 子( 团) 产额有助于揭示其溅射过程的极高电荷态离子与靶原子之间的作用机制。 c o u l o m be x p l o s i o nm o d e l 和u l t r a f a s ti n t e n s ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o nm o d e l 揭示了这 方面的关系d o ，2 2 ，详见前面理论模型部分。 1 n h 聃( o 3 v a o h f ) 入射g a a s ( 1 0 0 ) 时，有1 4 1 0 2 1 0a t o m s i o n 被溅射出来。 相对t h “只有1 2a t o m s i o n 的产额 1 0 l ，这是由于t h 协势能高达1 5 2 6 k e v 的缘 兰州大学颂士论文 故。与多电荷态a g q + , x e q + 入射g a a s 的结果比较 1 3 1 ，可以看出极高电荷态在溅 射表面原子方面明显地优于多电荷态离子。f i g 1 4 q an 可以看不同的靶，溅射产额 随入射离子的势能增加而增加x e ”+ o 一3 9 x l o s m s ) ，x e “o = 6 4 x 1 0 5 m s ) ， x e “+ 扣- 6 1 x 1 0 5 m s ) ，x e s e ( v 一6 6 x 1 0 5 r e ，s ) ，t h “( v 一6 1 x 1 0 5 m s ) ， t h “o - 5 7 x l o s m s ) ，孤“p - 5 9 x 1 0 5 m s ) ，t h ”o 一6 1 x 1 0 5 m s ) f 1 0 】入射 g a a s 靶时，溅射离子中有g a + 和a s * ，其在总产额中的比重 3 5 ) 【3 】，y ( h + ) * 9 3 【4 】。a u 映 ( 3 5 i c e v l u ) ，1 n b 弧( 1 2 k c v u ) 入射s i 0 2 表面( 5 0 a m ，s i 基底) ，前者观察到 有( s i 0 2 ) o - 溅射( n 可高达2 0 ) ，后者有s i _ d ，s i 2 ，等其它离子。a i l 执的次级 离子总产额达3 7 i o n 之多其中1 7 巧) “q 4y t s 2 0 ；) * q 4 【1 2 】在c 。i , i ：a u 膜 上溅射出的c 。h f t g 随电荷态增加产额增加【4 ，1 2 。离子团的产额y “q 。关系和 库仑爆炸模型要求的结果相一致。 囊们n，t 1 0，伸静 p o t e t 斌a l e n e r g y o ，p 哪鲫糖细” f 堍1 4 总的溅射产额s a 射离子的势能z 阃的关系。c s l 实心方框：l i f 空心圆圈： s i o z 实心三角形；g a a s 实心圆圈空心菱形实心菱形：u o z t 空心三角琊、。 童矗五器盔、莹譬og譬誊 兰州大学硕士论文 f i 各l s ，次级离子产颧s a 射离子电萄态2 阃豹关系入射离子动能冕 上面说明。g a l 秘a 矿( g n 缸) - 方框：v 0 2 相瘟韵离子- - 翮3 1 。 薹 萋 蔑 蓍 彗 x a x i st p , l e f i g 1 6 u o l 靶溅射出的离子匝o 苫秘固o 2 产额s a 射离子电稿态z 闯的关系，a 射离子能动能为1 9 s 妇i 忱。 离化率a 的问题有助于揭示这方面的机制，通常a ( a ( 1 0 - 3 ) 是非常小的。 在n 4 + 轰击u t h 实验中测量到a 随q 增加而增大，而g a a s 中a 则随q 减小【1 0 】 ( f i g 1 7 ) 。比较这两种情况，入射离子与两种不同材料的靶作用过程应该有不 同的机制。实验结果表明前者和库仑爆炸模型要求的相一致，而后者的作用过程 则由u l t r a f a s ti n t e n s ee l e c t r o n i ce x c i t a t i o nm o d e l 描述f l o 】。其原因详情见前面模型 描述部分。 兰州大学硕士论文 极高电荷态离子具有很高的势能( 1 0 1 0 0 k c v ) ，在靶表面，离子释放出来 的势能比其沉积的动能大得多。因而由势能导致表面原子溅射的产额比动能的大 得多，也即溅射产额受入射离子动能的影响较小。实验中，x c 2 7 + ，x e 似，a u m ， a u 6 入射u 0 2 靶时，当入射动能2 0 k e v 增加到5 0 0 k c v ，( u o i ) + 产额变化非常小 f l l l 。 加嘲蛔”i 咖c 擒御g f i g 1 z 离化率s 入射璃子电赫态之镝的关系。 u 0 2 靶空三角形；g a a s 靶实西力踯、。 2 2 4 3 多电荷态的溅射结果 对于多电荷态离子，其势能在k c v 量级或小于k e v ，它与靶的作用过程不可 能像极高电荷态的那样强烈引起表面原子溅射的机理也与极高电荷态的不同 溅射产额中，次级离子占的分额比例非常少，绝大部分为中性原子，被探测到的 靶表面溅射原子动能非常低。多电荷态离子引起导体，半导体表面原子溅射主要 是离子的动能引起的，没有明显的势能溅射效应，2 2 4 1 部分已经述及。以下的 溅射现象均是对靶为绝缘体材料而言的。 兰州大学硕士论文 重 l l 萎 藿 ：_ 暑 运 d 宅 圣 喾 孬 暑 k j m 畦c d 鞠韵7 t v ) f i g 1 8 a r q * a # f l i f 表面入射动能s 产颧钓关系。 1 3 1 雕啪口嚏柚甜豫叼y1 v f i g 1 9 a r 肿入射l 疆表蔼，入射离子势能s 势能与产额勃关系。l l 鞋 f i g 1 8 中可以看到产额与入射离子动能增加近乎成正比增加，而且随电荷态 越高，产额越大。m m 在入射动能为l k e v 时，每个离子溅射( n f ) 数目达6 0 多个。在f i g 1 9 d p 直接就反映了产额与入射离子势能的正比关系。计及入射离 子动能和势能之和，平均溅射一( l j f ) 需要约5 0 e v 的能量。这样的动能正比关系 在卤化碱n a c i 1 3 1 ，a 2 0 j 1 8 上也体现出来。a r 铲，) ( c q + 入射s i 0 2 也说明了多电 荷态离子溅射的势能效应，平均溅射- - ( s i 0 2 ) 需要5 0 0 e v 的能量。f 1 6 l 对于卤化碱，s i 0 2 和a 1 2 0 3 绝缘体材料，因其内部强电子一声子( s t r o n g e l e c t r o n ，p h o n o nc o u p l e ) 对的缘故，在多电荷态入射离子作用下，靶l i v 1 5 i ， n a c l 1 3 ，s i 0 2 1 6 ，2 0 ，2 1 1 和a 1 2 0 3 1 1 8 内能产生s e l f - t r a p p e de x c i t o n ，s e l f - t r a p p e d 一-2、3芒v i暑譬0誊口 兰州大学硕士论文 h o l e ，其数量大致正比与离子的势能。而溅射的原子数目依赖于这些缺陷的数目。 即使在零动能入射情况下，仍有部分靶原子被溅射出来，表现为纯势能效应。详 细的溅射过程见前面理论模型中d e f e c tm e d i a t e ds p u t t e r i n g 模型部分。 另外须说明的是，很低动能的入射离子s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，入射上述产额多是o 原子，金属原子很少，靶表面上形成一富集a l l l 8 1 ，s i t l 6 等非绝缘薄层。这一 薄层也会阻碍势能溅射。从实验结果上看出，入射离子剂量越大，单位入射离子 的产额越小1 1 3 1 。在常温条件下，电子入射l i f 靶，靶表面也会出现l i 原子层。 原因见前面2 1 2d e f e c tm e d i a t e ds p u t t e r i n g 模型。 为验证当高电荷态离子与卤化碱材料靶相互作用时，在靶表面形成 s e l f - t r a p p e de x e i t o n ，s e l f - t r a p p e dh o l e ，以及d e f e c tm e d i a t e ds p u t t e r i n gm o d e l 的机 制，h a y d e r e r 等人利用c u + ，n a + 一，2 + 矿，“等低势能，动能为2 0 e v ，1 0 0 e v 的 入射离子入射l i f 表面，测量其溅射产额。其结果如图f i g 2 0 所示图中z n + 和s + 是明显的界限，说明势能溅射的阈值在1 0 e v ，势能低于这个阈值的无靶原 子溅射，只有高于这个阙值的才有原子溅射 1 3 1 。 z 。乎+ _ l i f m c o m b t m l l l o ne n e r g y 蠹、， f i g 2 0 0r t “a r i v 表面溅射产额s 入射离子势能z 润的关系。t 玎l f i g 2 1 中x c q + 入射m g o , 靶，方面反映产额与入射离子动能的正比关系， 也有明显的势能溅射效应；另一方面，若动能为零，则其产额也为零，没有纯势 能溅射效应。其原因详见前面理论模型k i n e t i c a u ya s s i s t e dp o t e n t i a ls p u t t e r i n g 部 分。 s，jil一鼍髫知誊墨一暑0 2意i芷蒜v壁譬_嚣嚣嚣墨譬 兰州大学硕士论文 k h w k _ h 哪1 v i f i g 2 1 x e ”入毒圣m g o 靶，葛产额s 入射离子动能关系。l l 趣 多电荷态离子溅射的靶表面原子中也有离子成分( 离化率a o 1 ) 。这部分 产额与入射离子的动能有关，也即与入射离子的入射角度有关。a p ( 3 2 k e v ) 入射r l z o s i 0 2 ( 1 0 0 ) i r ，s i + 等次级离子产额与入射角之间有如下关系。【1 9 】 1 y “南 “5 ) 一客气-蕃i一-，口芝e 兰州大学硕士论文 第三章实验方案及实验设备 本实验在中国科学院近代物理研究所1 4 5g h z 的电子回旋共振离子源( e c r ) 实验平台上进行的 3 1 靶的制备 靶材料采用真空镀膜技术制成。制作过程简述如下：玻璃基片先在丙醇中浸 泡1 5 分钟，再在无水乙醇中漂洗5 分钟，随后用清水冲洗并烘干。打开镀膜机钟 罩，装玻璃基片在基片架上，置质量为2 9 的c i l 箔于料槽里，合上钟罩。用电离 计测量镀膜机内真空。先用机械泵抽真空至4 p a ，加热扩散泵约2 吩钟，用扩散 泵对钟罩抽高真空。当真空度达到2 x1 0 - 3 p a 以上时，加热箔使其迅速升华。监控 膜层厚度，当观察到监控膜层的颜色变为银白色时，立即停止加热。此时在基片 上形成了厚度在1 p m - - 2 i l m 的多晶线态c i l 层。因为束流射程均不超过1 0 0 0 a ， 不可能穿透c u 层，因此不考虑玻璃基底的影响。 关闭电离计电源，关钟罩阀门，关扩散泵，待泵油冷却，关闭机械泵水源 和电源。打开镀膜机钟罩，取出镀好的靶。本实验用到另外两块靶s i 和w ， s i 是硅晶片，w 是金属片。将三块靶一并装在靶室( 如图所示) 的靶架上， 并将靶架置于靶室中。 f i g 2 2 靶和琵絮示意豳 靶架材料为铝。靶装入架位框后，用靶架边框上的螺丝和铜质材料簧片将 兰州大学硕士论文 靶固定。靶表面比靶架边框高出大约0 5 m m - - l m m 。靶架上端有连杆，可以安 装在靶室中。通过靶室内部的传动装置，靶架可以实现三个自由度的移动。实 验时可以在不破坏靶室真空的条件下前后左右移动靶以调整靶的中心位置，转 动靶平面以改变入射束流方向与靶表面夹角0 ，以及改变靶的高度即改变靶材 料。 3 0 】 3 2 实验设备及方案 3 2 1e c r 离子源的基本原理 e c r 离子源利用微波加热等离子体，电子从微波中获取能量而形成高能电 子，高能电子游离原子生成e c r 等离子体，e c r 等离子体又受到最小b 磁场口。 的约束，被约束的等离子体在受到高能电子的逐级游离而生成高电荷态离子，离 子经过高压引出而形成离子束。微波经波导或同轴线传到等离子区，当微波频率 等于电子运动的回旋频率时，即： 一n k e b m o ( 1 6 ) 其中屹。是电子在磁场中的回旋频率，o ) p p 是入射的微波频率，口是离子源共振 磁感应强度，m 。和e 分别是电子的质量和电量。部分电子将发生共振并从微波中 吸收能量，从而获得高温等离子体，对于固定的，b 也确定。 当电子的能量足够高时，它可以从原子中逃逸出来，即电子被电离。这样逐 级电离形成高电荷态离子，高电荷态离子在等离子腔弧中被外加磁场约束，以免 离子扩散至等离子体弧腔壁而损失掉，最后由引出系统把高电荷态离子引出形成 束流【2 4 】。 e c r 离子源的内部结构 2 5 2 7 如m 2 3 所示其工作原理为：1 4 5 g h z 的微波 由波导1 2 进入离子源的腔体6 里，产生并加热等离子体。离子源的线包形成的磁 镜场与六级永磁场迭加，在腔里构成具有磁场最小值的最佳约束磁场，从而使等 离子体中的离子有充分的条件游离至高电荷态。离子最终从腔体术端的等离子体 电极的引出孔被导出。它所提供的s h c i 束流p b q + ( q = 4 - - 3 6 ，e 【= 6 q - - 2 0 q k e v ) ， a t - q * ( q 可取1 1 6 ，e k = 6 q 2 0 q k e v ) 束斑截面1 0 l o m m ，强度可达pa 量级。 兰州大学硕士论文 在束流被引入靶室之前，利用光栏将束斑截面控制在0 5 0 s m m ，强度1 0 _ 儿a 的 水平，因此可以认为靶表面的柬流是均匀的。 e c r 离子源的详细图示为 田茹e c r 膏于一 l 域包，2 引出蕾慧馨罩，珏 鬻鼍聋罩。穴援客雕，鲁6 等膏f 体