Physical basis of energy per cluster atom in the universal concept of sputtering

Abstract

High-energy ions and atoms sputtered and reflected from a magnetron source for deposition of magnetic thin films J.The interpretation of the variables, scaled by the number of projectile cluster atoms n, in the universal relation of the sputtering yield Y versus incident energy E, that is, Y/n vs E/n, is not necessarily obvious. Following on previous works, the objective of this study is to elucidate the physical basis of the energy per atom variable E/n. The authors employ molecular dynamics simulations of Ar n cluster bombardment of Ag(111) metal samples for this study. The authors find that the energy per cluster atom quantity E/n is responsible for the fraction of the initial energy that is deposited in the solid, rather than energy per cluster mass E/m. The results show that even though there is an average loss of the energy for a cluster, each cluster atom loses a different fraction of its initial energy, thus yielding a distribution of energy loss by individual atoms. The analysis of these distributions indicates that the energy deposition process is more effective for clusters with higher E/n when compared to the clusters with lower E/n. This conclusion is supported by a visual analysis of the cluster bombardment event. The cluster atoms that lose most of their initial energy are those which split off from the cluster and penetrate into the bulk of the solid. Conversely, the atoms of the clusters with low E/n keep together during the interaction with the solid, and eventually reflect into the vacuum taking away a portion of the initial kinetic energy. In addition, the simulations indicate that the clusters of different sizes have the same distribution of energy loss for individual atoms if they have the same E/n, in other words, if the initial energy E is proportional to the cluster size n.

Нелинейные Эффекты При Распылении Арсенида Галлия И Кремния Кластерными Ионами Висмута

“…Применение кластерных ионов в ионнолучевой литографии и наноструктурировании позволяет увеличить коэффициент распыления. Большое число работ (см., например, [2][3][4][5][6][7][8]) посвящено компьютерному моделированию процессов распыления и расчетам коэффициентов распыления. Вместе с тем публикаций об экспериментальных измерениях коэффициентов распыления кластерными ионами, а тем более данных о сравнительной эффективности распыления атомными и кластерными ионами в одинаковых экспериментальных условиях значительно меньше [9,10].…”

Argon cluster‐ion sputter yield: Molecular dynamics simulations on silicon and equation for estimating total sputter yield

“…This is a 'many body' problem, and therefore it is no surprise that (in the absence of good reference data) Molecular Dynamics (MD) simulations have been extremely useful over the last decade in elucidating the details of cluster-ion sputtering processes. [16][17][18] A few years ago we proposed the following 'Threshold Model' 19 semi-empirical equation for estimating total sputter yield Y as a function of the average kinetic energy-per-atom e of the incident argon clusters;…”

“…This was almost all based on the use of nominally n = 1000 atom clusters. Since that work was published Paruch et al18 have proposed, on the basis of MD calculations, a power law dependence of total sputter yield on the ratio of total cluster energy. Our own MD calculations show a similar trend to larger yields for larger clusters even when the energy-per-atom is the same.…”

Сглаживание тонких поликристаллических пленок AlN кластерными ионами аргона

“…Известно, что при кластерной бомбардировке сглаживание поверхности происходит за счет двух параллельных процессов: распыления приповерхностных атомов мишени и их латерального перемещения. Как для наклонных углов [9][10][11], так и для нормального падения кластеров [9] коэффициент распыления мишени определяется отношением кинетической энергии кластеров E к их среднему размеру N. При высоких энергиях E/N преобладает процесс распыления, и значительная часть начальной кинетической энергии E тратится на выбивание атомов мишени [11]. Предполагается, что при уменьшении E/N от 100 до нескольких eV/atom начальная энергия кластеров преимущественно тратится на перемещение атомов мишени в приповерхностном слое и уносится рассеянными атомами кластеров.…”