Диагностика поверхности методами спектроскопии атомов отдачи (САО) и обратно рассеянных ионов низких энергий (СОРИНЭ) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

f)l

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

г;

На нранок /щкониси

Трухин Владимир Васильевич

У4К Я7. 53J 74

ДИАГНОСТИКА ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДАМИ СПЕКТРОСКОПИИ АТОМОВ ОТДАЧИ (CAO) И ОБРАТНО РАССЕЯННЫХ ИОНОВ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ (СОРИНЭ)

0I.CH04 -физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москоа-1991

Работа сыполнена в Научно-исследовательском технологическом институте (НИТИ).г.Рязань

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник

Консультант:

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук кандидат физико-математических наук

Ведущая организация: Донецкий государственный

университет

/

За«ита_диссертации состоится " "____... 199.<: г.

е . '.Ь.час. на заседании специализированного/совета К 063.91.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Московском ордена Трудового Красного Знамени физико-техническо1 институте по адресу:

141700, г.Долгопрудный Московской области, Институтский переулок 9,МФТИ

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке МФТИ , Автореферат разослан "____"................199 г.

С.С.Волков Г.Н.Шуппе

В.А.Молчанов Е.А.Тишин

Ученый секретарь специализированного совета к.ф.-M.il.

Н.Д.Коновалов

- ï -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа современных электронных приборов во многом определяется составом, структурой и свойствам« поверхности твердых тел, для изучения которых разработаны многочисленные весьма тонкие методы диагностики с использованием электронных, ион- ■ ных н фотонных зондов . Успешно применяются в настоящее еремя метода спектроскопии обратно рассеянии"-: полоз низких энергий (СОРИКЭ); и спектроскопии атомов отдачи (CAO), сснованкые на анализе энергетических и угловых распределений рассеянных и выбитых с попгрх-ности в результате парного взаимодействия ионоз. Отличительной особенностью данных методов является возможность акшгза состава и структуры моноатомного слоя поверхности. В связи с этим ОСРИНЭ и CAO могут быть эффективными при изучении процессов, в которых 'акев-ний атомный слой является определяющим: адсорбция, поверхностная сегрегация, катализ, начальные стадии роста пленок, форияроэашю границ раздела и др. Совместное принекскло СОРИКЭ и CAO, реализованных в одном спектрометре на одной аналитической базе, позволит обеспечить лучшую чувствительность для больного диапазона уасс. чем в одном методе, упростить расаифровку спектроз при малоугловом рассеянии, повысить достоверность получаемой информации при элегантном и структурном анализе.

В настоящее время достаточно хорошо изучены процессы Еыбива-ния атомов отдачи в диапазоне средник энергий первичных'конов. Однако еще не достигнуто полной понимание вопросов, связанных с образованием ионизованных атомов отдачи а диапазоне низких энергий первичных ионов, влиянием химического состояния и структуры поверхности на энергетический и угловкэ распределения выбито: ионоз, что препятствует пярокому применен!«) CAO для диагностики поверхности. Создание экспериментальной установки, m которой стала бы вознсп-îîoîî реализация обонх катодов, вклсксике рдца вспроссз ненпинз>/а об-рззовштия иовязоваашх ûtosod отдач;» с цельп (~з сспойксм) выявления диагностических возиозноеггей совместного использования С0Г1ШЗ и CAO определяет актуальность теки з научней я практическом ocrre.t-тах.

Актуальным является такво выявление техиояогкедских объектов, для которых совместное применение СОРШБЭ и CAO.могло бы дать наиболее эффективные результаты. Следует ожидать, что эти метода, благодаря'малой информационной глубине, позволят получить приици-

пналыю новую информацию о взаимном расположении атомов на поверхности, например, соединений A3 В^ и о начальных стадиях формирования границ раздела "металл-полупроводник" на монослойном и субмо-иослойиом уровнях, которые во многом определяют макроскопические i электрофизические свойства контактов.

Целью работы являлась разработка научных методических основ и аппаратуры комплексного применения методов СОРИНЭ и CAO для исследования поверхности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка экспериментального шкета спектрометра, позволяющего измерять энергетические и угловые распределения рассеянных иоков к атомов отдачи для совместной реализации методов СОРЭДЕ il CAO.

2. Изучение физических закономерностей образования ионизованных атомов отдачи в диапазоне низких энергий первичных ионов, а именно - влияния типа первичнш ионов, химического состава, состояния и кристаллической структуры поверхности lia энергетический и угловые распределения ионизованных атомов отдачи. Расширение на основе этого диагностических возможностей CAO.

3.' Выявление особенностей комплексного применения СОРИНЭ-САО для анализа состаБа к структуры полупроводниковых соединений Л"1 В'* и начальных стадий формирования границ раздела металл-полупроводник.

Научная повязка работы заключается в.следующем:

1. Положение максимума энергораспределений атомов отдачи в диапазоне низких энергий первичных ионов определяется квазиоднократным характером взаимодействия, обусловленным влиянием близлежащих атомоз поверхности. Увеличение массы выбиваемых атомов приводит к увеличению сдвига максимума в сторону больших энергий относительно его полоаения; рассчитанного по формуле однократных соударений.

2. Угловые распределения ионизованных атомов отдачи имеют максимум при углах рассеяния, близких к 60° , что обусловлено угловыми зависимостями дифференциального сечения отдачи и вероятности нейтрализации, а также эффектами блокировки и затенения.

3. Установлено, что ионный выход атомов отдачи коррелирует с химическим состоянием атомов поверхности". Для систем с сильной лонной связью выход ионизованных атомов отдачи вше, чем для систем с другими типами связи.

•_ з -

4. Показано, что изменение сигналов ионов, рассеянных от шзе-яки и подложки, в процессе осаждения отражает механизм роста данной пленки. Линейные зависимости соответствуют послойному росту, экспоненциальные - островковому, липейно-экслонеициалыше -

- послойно-островковому.

5. На примере напыления П, Ы и Мо установлено, что на- ■ чальные стадии роста металлических пленок на поверхности соответствуют механизму Зольыэра-Вебера с островками в форме шаровых сегментов ( И, Ш ) с фазовыми переходами двумерный газ -

- двумерные (трехмерные) островки - сплошная пленка и в Ферме пирамидальных островков ( Мо ). что обусловлено подавлением процессов формоизменения островков за счет латерального роста при конденсации тугоплавких металлов.

6. На примере напыления ( А1, И, У, Сг, N1, Мо, Аи ) на Ъ&къ установлено взаимное проникновение компонентов адсорба-та и адсорбента, обогащение нетэллическоЯ пленки в области границы раздела одним из компонентов полупроводника, тип которого определяется соотношением электроотрицательностей металла ( Хл Са ( ХСа ) и Аз ( Хд,). При < Х<?д происходит обогащение ■ ба, при 1аа < Хл < Хд, п при Х„ > Ху,- обогащение Аз. При прогреве сформированной пленки обогащающий компонент диффундирует на поверхность.

7. На основе сравнения экспериментальных и теоретических угловых распределений атомов отдачи и рассеянных ионов предложены модели взаимного расположения атомов СаАз(100)~с(8х2) и 1пР(100)-(4х2), состояние из димеров катионов н анионов, причем верхний слой атомов состоит из 25% мокослоя атомов анкона.

Практическая ценность полученных результатов заключается в разработке технических требований на спектрометр," в определении диагностических возможностей СОРИНЭ-САО для анализа состава и структура поверхности перспективных материалов и объектов микроэлектроники. Установленные состав и структура поверхности соединений А В , а также механизмы формирования границ раздела меТалл-полупроводник могут быть использованы при разработке новых приборов, для понимания физических процессов, протекающих в них, прогнозирования их свойств я определения долговечности.

На защиту выносятся:

1. Аппаратура, методика и программы для анализа состава и структуры поверхности методами СОРИНЭ и САО.

„42. Комплекс экспериментальных данных об энергетических и угловых распределениях ионизованных атомов отдачи, зарегистрированных в широком диапазоне углов рассеяния, сколькеняя и азимутального поворота образца, их зависимости от типа первичных полов, состава, химического состояния и структуры поверхности шкеяи.

о. Способ анализа механизмов рсота и морфологических осо-беиостсВ негалляческих пленок, з&юттпЪся в определении вида эависклостк сигнала рассеянных ионов и.^пки и подложки от степени покрытия в процессе напыления. Линейная зависимость соответствует послойному росту, экспоненциальная - островковоцу ли-кейиая до'одного «окослся и экспоненциальная при больших покрытиях - механизму Стронского-Крастанова.

4. Результаты определения механизмов образования границ раздела ыэтолл-СаАз пря напылении металлов различной химическом окт;шмосте и способ прогнозирования переходного слоя на границе- раздела »оз-олл-пслуяровсдшковое соединение А В"1 по со-отноеоиив элоктроотрацатблыюстей элементов пленки и подложки.

5. Методика определения структуры поверхности двойных по-лупройоднякоЕЖ соедлнеияй по угловым зависимостям рассеянных понос и атомов отдачи я модель взаимного расположения атомов на поверхности Со1б(1СО)-с(8х2), 1пР(Ю0)-(4х2).

Апробация работы. Результату работы докладывались и обсуждались на: Бсесозаных совещаниях-семинарах "Диагностика поверхности ионными пучками"(Уагород, 1985г.; Донецк, 1988г.; Одесса, 1530г.); И Всесоюзном симпозиуме "Вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссия з: спектроскопия поверхности"(Рязань, 1986г.); У Всесоюзной семинаре "Вторичная ионная и ионяо-фотонн&я эмиссия" (Харьков, 1888г.); Всесоюзной конференции "Ловерхность-89" (Черноголовка, 1589г.); IX 'Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомких частиц с твердым телом" (Москва, 1839г.).

Публикации. По иатериадам диссертации опубликовано 15 работ, приведенных в конце автореферата.

Структура к обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 220 страниц, включая 74 рисунка на 59 отра-.!шцах, 5 таблиц и список литературы на. 18 страницах, содержащий 193 наименования.

кр.\Ш52 содерший работ? по т.чип

Во введении обоснована актуальность «ьм, сформуяироваш ноль и задачи работа, представлены осиоскио результата, оостав-яягсзю паучну» новизну, » их практическая значимость, пригедвна положения, выносимые па защиту.

Первая глас? косит обзорный характер, В ней рзеекзтреш alms физические закономерности.парного вгаимодеЯсмйя ионоз а атомов поверхности в диапазона" низких зиерпй? первичных покое (0,1 f 10 кэВ), различные варианты экспериментальных споггтрсмотроа. Более подробно проанализированы работы, посвященные быдсйоевэ закономерностей выбивания ионизовамых агомоа отдачи н практической реализации GAO, как метода диагностики поверхности Г-сс/отpiv.-i вопросы анализа структуры поверхности о вомоадя ра-;.:.-яшас коков и атомов отдачи, а также работы, псстзскные воаросдо изчалькш: стадий роста пленок и исследованию их рделячигш кзт&дэш'», в чйот-ности, с помощь» конного рассеяния.

Анализ литературы показал, что бояькчпегьо результатов ярл изучении механизмов образования skimзогалшк атасов отдачи получена для первичных ионов средних энергий {10,- 100 кзЗ). В диапазоне низких энергий первичных ионоз детального изучешм процессов вкблваняя атомов отдачи но проводилось. Оназзжсь без рргкма— имя последователей методические вопроси CAO ; гаэасимооть рчзрэ-иеияя по массам, интенсивности сигнала шшовашш атокоз отдачи от сорта первичных ионов, • cootsса мишени, рсогдотрии эксперимента. Несмотря на то, что большинство работ ito аршюпешго CL0 к СОРННЭ посвящено структурному анализу, отсутствуют работ«, в которых были бы расшифрованы слозяше поверхностные структура (иа-ирнмер, сверхструктуры полупроводников« соединений- А В }. Лазь, несколько работ посвящено анализу начальных стгдаЯ роста металлических пленок на поверхности полупроводников методом СОРШП). Не выявлеш » полной мэре возможности метода а овредеяепкп хаиизмоэ роста пленок на субмоиослоШюй и цэкоедс&од ypoimx. В заключении гласи сформулировали вчводо из обзора яз-гератури.

Втор-зп глава посвящена описанию экепзршжтзлыюго спехтро-v'O'fpa и методика исследований. Разработанная с учетом уродований, вытекавших из ¡псставлсиньк гадач, и с нспольсозакнсл злеиентно--геонс1руктивной базы ионных и электронн:.« спектрометров установ-ita (p'.ic.l) содержала аппаратуру для методов СОРИИЗ-САО и позво-

Рис.1. Схема спектрометра

О)

О 03 _05 о 0.5 Е/ео

Рис.2. Энергораспределения частиц при облучении поверхности Мз, 31, Си и их окислов ионами Не (Ёс=3,0 кэВ; 9=60°; «л=30°)

М9 51 Си

№ Ш-Си

X ЛСу V

ляла: 1) изучать энергетические и угловые распределения рассеянных ионов н атомов отдачи при различной геометрии эксперимента; 2) анализировать элементный состав поверхности с чувствительностью до 0,1 % монослоя; 3) исследовать структуру поверхности одно- и многокомпонентных материалов; 4) проводить пословный анализ приповерхностной области с разрепением по глубине ~ 1 моно- • слой; 5) моделировать и исследовать технологические процессы напыления пленок.

Ионный пучок формировался с помощь» колонны первичных ионов, в состав которой входили: ионная пузка с ионизацией инертных газов электронным ударом, масс-сепаратор типа фильтра Вина с разрешающей способностью М/лй ■ 20, фокусирующая линза с системой отклонения пучка и система дифференциальной откачки, позволявшая создавать перепад давлений по рабочему газу между камерой ионизатора и исследовательской камерой на 2 - 3 порядка. Колонна первичных ионов обеспечивала следующие параметры: энергию ионов В» « 0,5 - 5 кэВ при 4Ев>/В« <0,001; ток ионного пучка lo - 0,1 - 200 нк при минимальном диаметре d¿ < 200 мкм и угловой расходимости л*С< 1.

Для регистрации спектров применялся энергоаиализатор типа 180-градусного сферического дефлектора с радиусом центральной траектории г„« 39,25 мм и энергетическим разрешением R¿« 0,в %. Энергоанализатор располагался на поворотно!! платформе, что позволяло изменять угол рассеяния 9 а пределах от 0 до 130?

Образец закреплялся на Манипуляторе, позволявшем изменять угол скольжения «¿от 0 до 6. Устройство азмутаяьиого вра-. щения образца обеспечивало поворот образца относительно первоначального направления на угол V « 0 ~ 200 . Предусматривался контролируемый прогрев образца до Т » 1000 К. Вакуумная _сяс-тема обеспечивала давление в измерительной камере Р « 2x10 Па по активным газам.

В третьей главе приведены результата исследований энергетических и угловых распределений атодоа отдачи и их зависимости от сорта бомбардирующих ионов, материала мшеян, химического состояния и структуры поверхности.

Энергетические распределения ионизованных атомов отдачи получены для многочисленных как одно-, так я многокомпонентных материалов.

Типичные знерщх,определения рассеянных и выбитых с поверхности ионов при Ео = 3,0 кэВ, 9 = 60 , «¿=30 (рис.2) содержат высокоэнергетические и низкоэнергетические пики. Высокоэнергетические пики однозначно интерпретируются, как пики однократно рассеянных ионов Ме - Мз, Не - - Си, так как их

энергетические положения соответствуют рассчитанным по формуле парного упругого соударения. Пики в низкоэнергетической области спектра идентифицируются, как пики ионизованных атомов отдачи Си"*. Однако, если для Ыg'* и 31+ их экспериментальное положение хорошо совпадает с расчетных , то для Си+экспериментальное положение максимума энергораопределений сдвинуто в сторону больших энергий по сравнению с расчетным по формуле однократного выбивания атома отдачи. Это характерно для всех тяжелых элементов. Причем, чем больше масса атомов, тем больше сдвиг. Кроме того, пики ионизованных атомов отдачи шире пиков рассеянных ионов, -особенно при 1, что обусловлено значи-

тельно большим ушреиием & Е„ / за счет конечной угловой апертуры анализатора.

Для изучения различных механизмов образования ионизованных атомов отдачи и оценки их роли в формировании энергетического спектра была разработана программа моделирования энергетичес-ческих и угловых распределений на ЭВМ, в которой взаимодействие движущейся частицы рассматривалось как последовательность соударений с цепочкой атомов. В качестве потенциала взаимодействия использовался потенциал Вирзака-Цнглера. В результате моделирования показано, что выбивание ионизованных атомов отдачи в данном диапазоне первичных энергий происходит по механизму квазиоднократного взаимодействия, включающего в себя отклонение первичных и выбитых ионов на близлежащих атомах поверхности. Это приводит к сдвигу максимума энергораспределений ионизованных атомов отдачи в сторону больших энергий.

Комплекс исследований по выяснению влияния химического состояния поверхности на-ионный выход атомов отдачи позволил получить следующие экспериментальные факты: 1) для чистых материалов, обладающих ковалентной (простые полупроводники) и металлической (металлы) связями, наблюдается низкий выход ионизованных атомов отдачи (рис.2а); 2) высокий выход как положительно-, так и отрицательнозаряиеннкх атомов отдачи наблюдается с поверхности . ионных соединений (окислы, щелочно-галоидные кристаллы) (рис.26); 3) адсорбция на поверхности чистых материалов эле-

ментов с большим электронны« сродство» приводит к увеличению сигнала полояителькозаряженных атомов отдачи; 4) в спектрах полупроводниковых соединений Ä В-* наблюдается большой сигнал полокительнозаряжекных анионов. Приведенный анализ зтих экспериментальны:« фактов позволил утверждать,что зарядовое состояние ионизованных атомов отдачи зависит не только от процессов зарядообмена отлетавшей частицы с поверхностью, но и s большой степени определяется зарядовый состоянием атомов поверхности. Для систем с сильной ионной связью выход ионизованных атомов отдачи значительно вше, чем для систем с другими типами связи.

Приведены результаты изучения угловых распределений ионизованных атомов отдачи в вкрокс... диапазоне изкензкя.я /глов рассеяния 9 , скольжения Л и азимутального угла поворота образца I? . Зависимость интенсивности сигнала ионизованных атсадоэ отдачи от G для поликристаллических образцов близка к теоретической, рассчитанной по «формуле 2> -р*-Т , да - дифференциальное сечение отдачи, Р* - в?роятпость*Ъо!:ного выхода, Т - пропускание анализатора. Мажжтышй сигнал ионизованных атомов отдачи наблюдается в диапазоне углов 9 - 50 т f 70 . Угловые закономерности выхода копированных атсыов отдача о поверхности монокристаллов определялись при исследовании склочно-галоидных кристаллов HaCl, KBr a LiF. Полученные результаты' подтверждают влияние упорядоченной структур« поверхности на поток ионизованных атомов отдачи, обусловленное эффектами блокировки и затенения. Показано, что V - и чС~ зависимости сигнала ионизованных атомов отдачи в большей степени, чей рассеянных ионов, отрогаот взаимное распологек?.е атомов в корзом сяоз поверхности.

Изучены возможности CAO для диагностики поверхности. Сов- . местное применение СОРКНЭ к СДО позволило установить состав поверхности и ыэхаиизн работы эффяктизм« оннттсров на осноае Cu/MgO и ЕгС.

В четвертой главе рассмотрены особенности использования угловых- распределений ионизованных атомов отдач:! и рассеянных иолов для анализа структуры поверхности тверда тел. Получение информации о взаимном расположении атомов на поверхности основывалось на измерении 9 - и Л - зависимостей сигналов ионизованных атомов отдачи и рассеянных ионов с последующим совмещением экспериментального и рассчитанного для определенной атомной геометрии угловых распре-

- ю _ — —

делений путем подбора межатомных расстояний.

Разработана программа моделирования на ЭВМ угловых распределений ионизованных атомов отдачи и рассеянных ионов. Основной принцип моделирования заключался в расчете вероятности отсутствия экранировки (по входу и по выходу) для каждой рассеянной или выбитой частицы элементарной ячейки кристалла. Частица считалась попавшей в анализатор, если ее траектория ке отклонялась на угол, больший угла входа в анализатор а 6, от траектории частицы, выбитой в результате однократного взаимодействия. Расчет траекторий частиц производился с использованием потенциала Томаса-Ферми-Фирсова в аппроксимации Иольера. Тепловые колебания учитывались по формуле Гаусса. Такой подход позволил значительно сократить'время расчета по сравнению с программами, основанными на последовательном расчете траекторий, что дало возможность применить разработанную программу для анализа длиннопериодических структур, например, с(8х2), (4x2) и др. Расчеты V-зависимостей, выполненные для поверхностей ТГ о известной структурой, например, LiF (100), дали хорошее совпадение с экспериментом. Следовательно, принципы моделирования, заложенные в программе, достаточно адекватно отражали реальные процессы.

Изложенная методика лежала в основе определения структуры поверхности (взаимного расположения атомов) методами CAO и СОРИНЭ. В качестве объектов исследования были выбраны поверхности полупроводниковых соединений GaAsUOO) и InP(lOO), структура которых до настоящего времени не определена.

После прогрева при Т « 870 К очищенная ионной бомбардировкой поверхность GaAsUOO) становилась упорядоченной, о чем свидетельствовало появление ориентационных эффектов для сигналов ионизованных атомов отдачи G&* и рассеянных ионов Ne* - Са и Ne*- As ,' проявляющееся в виде соответствующих максимумов и минимумов на г -- зависимостях (рис.3), а также характерных изменений сигналов рассеянных ионов на «I -зависимостях (рис.4).

На основе полученных экспериментальных результатов были сделаны следующие предположения:

1. Экранировка ионов Ne* , рассеянных,от атомов Ga, выявленная с помощью «¿-зависимостей, показала, что самый верхний слой на поверхности GaAs(100)-c(8x2) образуют атомы As. Количественная обработка результатов показала наличие на поверхности атомов Аз в -концентрации примерно 0,25 мовослоя.

1,ат>/.ед.

4.0

а?

-1-1-1-1-»-1_I_

о зо во до гго /¿о Ш У,г/кгд

А

6а

Рис.3. График у - зависимости Са* при облучении СаАз (100) ионами Не* кэВ; 6=60";оС=30р)

Аа

I

Ба

сот Л*

6а

?0° 80° 90' М У// У20" /35'

9®о 9®9

¿•о о^э

оо оо • • • •

оо о о«р о

о о^э о # • * •

оо оо ро ¿«о о®р

сош юнэ

Г№7

94

ф • Ал

О еа

Рис.4. График «с- зависимости пиков Ие* - Са и Ые* - Аз

Рис.б. Модель структуры СаАа (100) - с(8x2)

- 12 -

2. Локальные минимумы в направлении азимутов, отклоненных на 20° от направлений /011/ и /0ÍI7, характерные для ^-зависимостей ионизованных атомов отдачи Ga+ , указывают на наличие блокирующих атомов, оказавшихся в данных направлениях вследствие димери-зации, т.е. сдвига поверхностных атомов из их положений на переконструированной поверхности.

На осноес изложенных экспериментальных данных, а также с учетом представлений, согласно которым поверхностные структуры GaAs (100) формируются вследствие образования димеров, была предложена модель структуры GaÁs(i00)-c(8x2) (рис.5). Модель строилась на основе поверхностных As-димеров, составляющих 0,25 монослоя атомов, и Ga-димеров, расположенных в нижележащем слое. Атомы следующих As- и Ga-слоев располагались в узлах, соответствующих их положениям в объеме кристалла. С помощью моделирования '/'-зависимостей для данной модели структуры и подбора положений поверхностных атомов, при которых достигалось наилучгаее совпадение расчетных кривых с экспериментальными, были определены межатомные расстояния с точностью i 0,2 А. Достоверность полученных результатов оценивалась путем сравнения их с результатами дая иного моделирова- • нля поверхности.

Аналогичные исследования были проведены для поверхности InP (100). На основе экспериментально полученных ^-зависимостей для Iri*, Ne+-In и Ne+- Рис учетом моделирования на ЭВМ предложена модель структуры 1пР(100)-(4х2), состоящая из 0,25 монослоя атомов Р, образующих симметричные димеры, и следующего слоя атомов In, образующих наклонные димеры.

Пятая глава посвящена исследованиям с помощью метода СОРИНЭ процессов зарождения металлических пленок на поверхности Si л GaAo. Проведено теоретическое рассмотрение изменения интенсивности сигналов рассеянных ионов от пленки и подложки в процессе осаждения для различных механизмов роста. Получены выражения и построены соответствующие зависимости изменения сигналов рассеянных ионов в процессе напыления для различных механизмов роста. При послойном росте (механизм Франка-Ван дер Мерве) сигналы рассеянных ионов пленки и подложки изменяются линейно. Экспоненциальные зависимости характеризуют островковый рост (механизм Фольмера-Вебера). Линейные до одного монослоя и экспоненциальные при больших напылениях зависимости характерны для послойко-островкового роста (механизм Странского-Крастанова). Кроме того, показано, что по скорости изме-

- ТЗ -

нения сигналов рассеянных ионов при островковом росте можно оценивать морфологию растущей пленки - количество и форму островков.

Эффективность метода СОРИНЭ при определении механизмов роста пленок на субмонослойном и монослойном уровне показана на примере исследования роста пленок Ti, Ni, Mo на поверхности Si(111) и Si(100) при ксмнагной температуре. Напыление производилось термическим испарением в вакууме на подложки, предварительно очищенные ионной бомбардировкой. В процессе напыления снимались зависимости интенсивности сигналов рассеянных ионов от атомов пленки и подложки от дозы напыления. Во всех случаях ход зависимостей сигналов рассеянных ионов был экспоненциальным, т.е. соответствовал островковому росту. Отличие состояло в дозе напыления п (монослои), необходимой для образования сплошной пленки: п > 6 для системы Ni - Si, n > 10 для Ti -=Si и n 4 для Mo - Si. Используя изложенную методику анализа островкового роста, были проведены расчеты, позволившие оценить количество центров зароды-шеобразования и форму островков. Установлено, что островки Ti и Ni на Si имеют форму шаровых сегментов, т.е. имеет значение отношение высоты к радиусу Н / R << 1, а для системы Mo - Si характерен механизм пирамидального роста в режиме полной конденсации.

Для систем Ni - Si и Ti - Si обнаружены характерные скачкообразные изменения на зависимостях = f(n) при n < 1, которые обусловлены изменением фазового состояния формируемой пленки, т.е. переходом при определенной степени покрытия от двумерной газовой фазы на поверхности к двумерным и трехмерным островкам.

С помощью послойного анализа методом СОРИНЭ показано образование силицидов при прогреве пленок до Т = 700 г 800 К, причем на поверхности силицидов в системах Ni - Si и Mo - Si происходит сегрегация Si, образующего,сверху тонкую пленку толщиной 1 i 2 монослоя.

Проведено исследование методом СОРИНЭ начальных стадий формирования границы раздела металл-GaAsQOO) в процессе напыления различных металлов: Al, Ti, V, Сг, Ni, Mo, Ag, Au. Установлено, что для всех систем, за исключением Ag - GaAs, характерно образование на границе раздела переходного слоя с повышенной концентрацией одного из компонентов полупроводника. При прогреве сформированной границы раздела М - GaAs сегрегационные процессы приводят к появлению одного из компонентов полупроводника на поверхности

пленки: Са в системах А1- , "И- , V- , Сг - СаАз и Аз в системе N1 - СаАз . Граница раздела Мо - ваАз термостабильна'вплоть до Т - 800 К.

Большой ряд исследованных систем позволил предложить модель, объясняющую и прогнозирующую процессы на границе раздела II - СаАз. Эта модель, предполагающая, что основными процессами, определяющими состав и строение границы раздела, являются химические реакции, основана на сравнении разности электроотрицательностей взаимодействующих элементов Хд, и Х/$ . Эффективность модели разности электроотрицательностей для прогнозирования процессов на границе раздела подтверждена на примере исследования границ раздела металла с другими соединениями А В , в частности Т1 -- 1пР. Предсказанная согласно модели интенсивная сегрегация 1п была зафиксирована на опыте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создана установка для анализа состава и структуры поверхности твердых тел и послойного анализа пленок методами СОРИНЭ и САО. Установка обеспечивает изменение углов падения, рассеяния и азимутального угла поворота образца в широких пределах. Исследованы поли-и монокристалические материалы - А1, И, N1, Си, Мо, Та, Аи, ТаС, 2гС, А1*0, , 810 , 1^(100), N801(111), КВг(100), втоо), 31(111), 1пР(100), СаАз(ЮО), СаАз(Ш) и др. - ионами Не* , Не* , Аг*.

2. Исследовано влияние материала образца, углов скольжения и рассеяния на интенсивность, энергетическое положение и форму спектров ионизованных атомов отдачи. Похазано, что наиболее информативными являются спектры при использовании ионов Ие+ . Максимальный сигнал атомов отдачи для поликристаллических образцов наблюдается в диапазоне углов рассеяния 6 « 50 + 70*, что обусловлено противополов-иыми тенденциями угловых изменений дифференциального сечения отдачи и вероятности ионного выхода, а также влиянием эффектов блокировки и затенения. Показано экспериментально И подтверждено моделированием на ЭВМ, что пик атомов отдачи в данном диапазоне энергий первичных ионов образуется вследствие квазиоднократиого взаимодействия из-за' влияния на выбиваемый атом близлежащих атомов поверхности, что приводит к незначительному энергетическому сдвигу по сравнению с энергией, рассчитанной по формуле однократного соударения.

3. Показана зависимость ионного выхода атомов отдачи от химического состояния атомов поверхности. Дая систем с сильной конной свя-

зью выход ионизованных атомов отдачи значительно выше, чем для систем с другими типами связи.

4. Показана эффективность метода САО при анализе легких элементов, включая водород, а также элементов с большим электронным сродством: 0 , Г , С1 . Метод САО совместно с СОРИНЭ применен для анализа состава и механизмов работы эффективных эмиттеров 2гС и Си/М^. Установлен пленочный механизм работы данных эмиттеров.

5. Разработана программа моделирования на ЭВМ угловых зависимостей ионного рассеяния и атомов отдачи, позволяющая рассчитывать сложные поверхностные структуры многокомпонентных соединений с использованием потенциала Томаса-Ферми-Фирсова в аппроксимации Мольера, и с учетом тепловых колебаний. Программа теоретически и экспериментально проверялась с помощью исследования известных поверхностных структур.

6. Экспериментально получены V- й /-зависимости атомов отдачи и рассеянных ионов при облучении (3,0 кэВ) поверхностей баАз(ЮО) и 1пР(100). Показано изменение ( У > Л ^зависимостей в процессе образования сверхструктур при термообработке (переход "беспорядок-порядок"). На основе сравнения экспериментальных угловых зависимостей рассеянных ионов и атомов отдачи и компьютерного моделирования предложены модели: структуры поверхности СаАз(100)-с(8х2), состоящей из 0,25$ монослоя атомов Аэ, объединенных в димеры, и йа-димеров, расположенных во втором слое, и структуры 1пР(100)-(4х2), состоящей из верхнего слоя Р-димеров (0,25 монослоя) и наклонных 1п-димеров.

7. Установлено влияние дозы ионной бомбардировки на разрушение упорядоченного расположения атомов на поверхности СаАз(ЮО) и 1пР (100). Показано, что структура сохраняется вплоть до доз~10 ат/см.

8. Были установлены зависимости СОРИНЭ-сигналов пленки и подложки от степени покрытия для механизмов роста Фольмера-Вебера, Странского-Крастанова, Франка-Ван дер Мерве. На основе сравнения экспериментальных и теоретических зависимостей сигналов от степени покрытия разработан способ определения механизмов роста и макро-зтруктуры пленок. Предложен способ определения дозы напыления, заключающийся в измерении СОРИНЭ-сигналов от времени напыления на эталонном образце и определении времени напыления одного монослоя гпенки по линейному участку изменения сигнала от подложки.

9. Установлено, что при напылении И , № , Мо на 81 рост 1ленки происходит согласно механизму Фольмера-Вебера. Для образова-

нйя сплошном пленки необходимо напылить > 10 ыодаслоеь в систем: Ti - Si, ' > 7 монослоев в системе Hi - Si. Роет пленки Мо на ь близок к модели пирамидального роста.

10. Обнаружены немонотсньые изменения СОРИНЭ-сигналов пленки к подложки при напылении дозы n < 1 монослоя, указывающие на фазова превращения в пленках при их росте. В системе Ti - Si определен переход: газовая фаза - трехмерные островки - сплошная пленка; в системе Ni - Si : газовая фаза - двумерные островки - трехмерные ост ровки - сплошная пленка.

И. При прогреве систем металл - Si образуются слоистые струк туры Si - MjSi^ в случае Ti - Si и Si - ll^Si« - Si (1 -f 3 моно слоя) в случае Ni - Si и Mo - Si.

1Й. Осаждение металлических пленок на GaAs приводит к образованна переходного слоя на границе раздела вследствие обогащения металлической пленки вблизи границы раздела либо атомами Ga (в системах Ti - GaAs, A1 - GaAs), либо атомами As вследствие их обратной диффузии (Ni - GaAs,: Mo - GaAs, Au - GaAs), а также наличие обо их процессов в системах V - GaAs и Cr - GaAs.

13. При прогреве систем металл - GaAs происходит усиление процессов диффузии и сегрегации, происходящих при напылении на холодцу подлозку. В системах Ti-, V-, Сг - GaAs наблюдается сегрегадая G на поверхности пленки, а в системе Ni - GaAs сегрегация As . Граница раздела Mo - GaAs относительно термостабильна.

14. Обогащение пленки в области границы раздела в процессе напыления к на поверхности при прогреве одним из компонентов полупроводника объяснено с помощью модели разности электроотрицательностей при Хл < Х^д происходит обогащение Ga , при Хца< X//s и при 1{< > > - обогащение as.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:'

1. Гутенко Е.Т,, Толстогузов А.Б., Трухин В.В. Энергетический анализ быстр!« ионизованных атомов отдачи как метод исследования состава поверхности тверда: тел // Тез. докл. на Бсесоюзн. совещании-семинаре "Диагностика поверхности конными пучками". -Ужгород, 1885.-С.269.

2. Волков С.С., Трухин В.В, Особенности образования ионизованных атомов отдачи при облучении поверхности ионных соединений ионами инертных газов низких энергий // Тез.докл. на YI Бсесоязп. симпозиуме "Вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссии и спектроскопия поверхности". - Рязань, 1936.-С.194-195.

3. Волков С.С., Гугенко В.Т., Дмитревский Ю.Е., 'Голстогу-зов Л.Б., Трухин В.В. Спектрометр обратно рассеянных ионов низких энергий и ионизованных атомов отдачи // Электронная промышленность. - 1987.- Вып.5(163).-С.42-43.

4. Аристархова A.A., Гутенко В.Т., Коржавый А.П., Лоренц Г.Ф., Мирзоева С.Д., Трухин В.В. Измерение пленочных эмиттеров Cu/MgO

на Си в процесса активирования // Электронная техник«. Сер.Материалы . 1987.-Выл.4(225).-С.13-22.

5. Волков С.С., Трухин В.В. Выход быстрых выбитых ионов в зависимости от состояния поверхности твердых тел // Тез.докл. Г Всо-союзн. семинара "Вторичная ионная и ионно-фотонняя эмиссия".-Харьков, 1938.-Ч.2.-С,23-25.

S. Аристархова A.A., Волков С.С., Трухин В.В. Анализ начальных стадий роста металлических пленок на поверхности полупроводников методом обратного рассеяния ионов // Тез.докл. Всесоюзн. со-вещания-семштра "Диагностика поверхности ионными пучками".-Донецк, 1988.-С.12-13.

7. Волков С.С., Гутенко В.Т., Дмитревский ¡O.E., Трухин В.В, Применение спектроскопии атомов отдачи для анализа поверхности твердых тел // Электронная промышленность.-1888.-Вып.7(175).-

С.44-45.

8. Аристархова A.A., Васильев И.Г., Волков С.С., Трухин В.В. Исследование начальных стадий роста пленок Ti на GaAs методом спектроскопии ионного рассеяиия // Электронная промышленность.- 1S88.-Вул.7(175).-С.30-31.

9. Аристархова A.A., Волков С.С., Трухин В.В. Исследование процессов адсорбции металлов на поверхности GaAs(lOO) методом спектроскопии ионного рассеяния // Тез.докл. 'Всесоюзн.конф."Поверх-ность-89", - Черноголовка, 1989.-С.168.

10. Аристархова A.A., Волков С.С., Трухин В.В. Структурный

„ ,3 „5"

анализ поверхности полупроводниковых соединении А В методом низ-коэиергетического ионного рассеяния и атомов отдачи // Тез.докл. IX Всесоюзн. конф. "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом". -Москва, 1989.-Т.1.-Ч.1.-С.20-23.

11. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев М.Ю., Трухин В.'В. Применение ионного рассеяния для определения скорости напыления монослойных и субмокослойкых пленок // Межвузовский сборник научных трудов "Вакуумная и плазменная электроника",-Рязань (РРТИ), 1989.-С.88-95.

12. Аристархова A.A., Волков С.С., Трухин В.В., Иуппе Г.Н. . Анализ структуры поверхности InP(lOO) методом спектроскопии низ-коэнергегического ионного рассеяния и атомов отдачи // Письма в КГТФ.-1989.-Т. 15.-Вып. 19.-С,81-84.

13. Аристархова A.A., Волков С.С., Гутенко В.Т., Дмитревский D.E., Тимашев М.Ю., Трухин В.В. Диагностические возможности »¿етода спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энергий // Тез.докл. Всесоюзн. совещания-семинара "Диагностика поверхности ионными пучками".- Одесса, 1990.-С.235-236.

14. Трухин В.В. Моделирование угловых распределений рассеянных ионов и атонов отдачи при анализе сложных поверхностных струк тур // Тез. докл. Всесоюзн. совещания-семинара "Диагностика поверхности ионными пучками",- Одесса, 1990.-С.86-87,

15. Аристархова A.A., Волков С.С., Трухин В.В., Шуппе Г.Н. Анализ начальных стадий формирования границы раздела переходный метелл-GaAs методом спектроскопии ионного рассеяния // Поверхность.-1690.-Ш.-С. 107-113.