Исследование релаксации электрического заряда при электронно-лучевой обработке диэлектрических материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Список иллюстраций.

Введение.

Глава 1 Нормальная релаксация заряда

11 Предварительные замечания.

12 Экспериментальные данные.

13 Обсуждение результатов.

1.4 Выводы.

Глава 2 Аномальная релаксация заряда

2.1 Предварительные замечания.

2 2 Экспериментальные данные.

2 3 Обсуждение результатов.

2.4 Выводы.

Глава 3 Полевое усиление вторичной эмиссии и эмиссия горячих электронов.

3 1 Предварительные замечания.

3.2 Кинетическое уравнение для электронов при облучении диэлектрика.

3.3 Электронная эмиссия в присутствии электрического поля.

3 .4 Стационарный режим эмиссии при воздействии на диэлектрик ограниченным электронным лучом.'

3.5 Эмиссия с поверхности диэлектрика при лавинной ионизации.

3.6 Выводы.

Прецизионная электронно-лучевая обработка твердых тел является одним из основных направлений современной электронно-лучевой технологии. Среди ее применений можно назвать такие, как размерная электронно-лучевая обработка (сварка, резка), обработка поверхности материалов и т.д. [1,2,3]. Размерная обработка материалов основана на возможности локального разогрева вещества при воздействии на него мощного пучка ускоренных электронов. Современные технологии электронной оптики позволяют сконцентрировать пучок электронов киловаттной мощности на участке поверхности, размеры которого составляют всего несколько микрометров. Выделяющаяся при этом энергия оказывается достаточной, чтобы нагреть облучаемую поверхность до температуры плавления и даже испарения.

Обработка материалов производится как при непрерывном воздействии луча, так и в импульсном режиме. Непрерывное воздействие при сканировании поверхности лучом применяется, например, при сварке и резке материалов. Для конкретности в диссертации рассматривается процесс электронно-лучевой гравировки, при которой используется импульсный режим, когда энергия, достаточная для локального испарения вещества, вносится электронным импульсом длительностью порядка нескольких микросекунд. Результатом испарения вещества с обрабатываемой поверхности является образование микрократера, глубина которого составляет также несколько микрон. Таким образом, появляется возможность путем сканирования электронным лучом поверхности сформировать необходимый ее рельеф. Технология гравировки, разработанная в НИИЭИО [4,5], состоит в нанесении на обрабатываемую поверхность заданного рисунка, состоящего из отдельных точек на расстоянии десятков микрометров друг от друга. Каждая точка представляет собой микрократер, образовавшийся после локального испарения некоторого количества вещества под действием электронно-лучевого импульса.

При воздействии электронного луча на поверхность обрабатываемого материала в область обработки вносится не только энергия, но и существенный электрический заряд. Это обстоятельство можно не принимать во внимание при обработке металлов или иных хорошо проводящих материалов, поскольку вносимый заряд практически мгновенно покидает область обработки под действием собственного электрического поля. Иная ситуация имеет место при обработке веществ с низкой удельной проводимостью.

В этом случае утечка заряда через объем вещества не играет существенной роли, и внесенный электронным лучом отрицательный заряд накапливается в области обработки. На практике при обработке диэлектриков электрическое поле внесенного заряда может стать настолько сильным, что оно значительно отклоняет траектории падающих на поверхность электронов, ухудшая прецизионность ее обработки. Более того, потенциал поверхности может через некоторое время приблизиться к величине ускоряющего напряжения электронной пушки, и тогда электроны, падающие на поверхность, будут обладать энергией, недостаточной для эффективного локального термического воздействия. Таким образом, обработка диэлектрических материалов оказывается сильно осложнена эффектами, связанными с зарядкой поверхности электронным лучом. Аналогичные проблемы возникают и в электронно-лучевой микроскопии, хотя применяемые в ней величины тока луча гораздо ниже, чем необходимо для размерной обработки [6].

Проблемой электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов, таких как силикатные стекла, кварц, различные типы керамики и т.д., является отсутствие воспроизводимости результатов. По типу процессов накопления заряда диэлектрики можно разделить на две группы. Обработка веществ первой группы оказывается сильно осложнена накоплением в них электрического заряда [5]. В то же время электроннолучевая обработка материалов второй группы, напротив, больших сложностей, обусловленных внесением заряда электронным лучом, не представляет. Причины качественного различия в релаксации внесенного заряда были неясны. Вещества обоих групп обладают высоким удельным сопротивлением с типичными значениями

10П-И012Ом см. Хорошо известное явление вторичной электронной эмиссии [411,14,25-27,33-39] также не может быть причиной эффективного удаления электрического заряда, поскольку при применяемых на практике значениях ускоряющего напряжения (десятки киловольт) вторичная эмиссия уносит лишь небольшую часть вносимого лучом заряда, составляющую всего несколько процентов. Представляется весьма естественным, что внесенный заряд не может быстро покинуть вещество, поэтому этот тип релаксации заряда, свойственный диэлектрикам первой группы, можно назвать нормальным. В то же время, очевидно, что в веществах второй группы существует некоторый эффективный дополнительный механизм удаления внесенного заряда. Этот механизм оставался совершенно непонятым. Такой тип релаксации, который можно назвать аномальным, нуждается в тщательном изучении.

Как отмечалось, электронно-лучевая обработка диэлектриков первой группы связана со значительными технологическими трудностями. В частности, не удавалось получить качественное изображение при гравировке их поверхности, поскольку электрическое поле накопившегося на поверхности отрицательного заряда сильно отклоняет электронный луч от предполагаемого места падения, снижает энергию, с которой электроны бомбардируют поверхность, а также ухудшает фокусировку луча. Последнее обстоятельство приводит к тому, что сечение луча становилось значительно больше предполагаемого, а плотность тока в нем, соответственно, падает. Такой луч уже не может вызвать разогрев участка поверхности до температуры кипения и создать микрократер. Поэтому наносимый рисунок получается либо искаженным, либо некоторые участки поверхности заряжаются электронным лучом настолько, что точки на них вообще не образуются. В работе [8] был предложен способ преодоления этих трудностей, который состоит в предварительном нанесении на обрабатываемую поверхность тонкой, по сравнению с глубиной проникновения электронов, пленки хорошо проводящего материала. Однако этот метод требует введения дополнительных технологических операций (напыление и последующее снятие пленки),что существенно усложняет технологический процесс. Кроме того, он неприменим, например, для глубокой резки материала.

Изложенные проблемы электронно-лучевой обработки диэлектриков приводят к необходимости тщательного исследования сопутствующих электрических процессов в материале. Данная проблема лежит на стыке электронной оптики и физики твердого тела и ранее тщательно не изучалась. Развитие электронно-лучевой технологии и необходимость разработки методов ее применения к задачам обработки диэлектрических материалов, а также проблемы сканирующей электронной микроскопии диэлектриков, обуславливают важность подобных исследований. Поэтому их проведение является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является: экспериментальное и теоретическое исследование процессов накопления и релаксации электрического заряда, вносимого в диэлектрические материалы интенсивным лучом ускоренных электронов и выработка практических рекомендаций для электронно-лучевой обработки диэлектрических материалов.

Основное внимание в диссертации уделено экспериментам с силикатными стеклами, хотя сделанные выводы применимы и к другим диэлектрикам и широкозонным полупроводникам. В работе приведены как экспериментальные данные, так и теоретический анализ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В конце приведен список цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 99 страниц, включая 41 иллюстрацию и список литературы из 53 наименований.

Заключение

В диссертационной работе проведено экспериментальное и теоретическое исследование явлений релаксации электрического заряда, вносимого в диэлектрические материалы при воздействии на их поверхность интенсивным электронным лучом. Показано, что электрические процессы б диэлектрике, при электронном облучении обусловлены: а) радиационной ионизацией диэлектрика, б) формированием в нем сильного электрического поля. По типу релаксации внесенного заряда диэлектрические материалы могут быть разделены на две группы по следующим критериям: соотношение между работой выхода электрона (отсчитываемой от дна зоны проводимости) и ширины запрещенной зоны, доминирующему типу взаимодействия подвижных электронов б зоне проводимости с оптическими колебаниями кристаллической решетки.

К группе I относятся диэлектрики с высокой работой выхода, превосходящей ширину запрещенной зоны. Для таких веществ характерна низкая вторичная эмиссия при электронном облучении, которая не может быть значительно усилена при достижимой напряженности электрического поля. Предельная напряженность электрического поля, формирующегося в диэлектрике при накоплении внесенного заряда, определяется его электрическим пробоем. Тип релаксации внесенного заряда в таких веществах мы называем нормальным.

К группе II можно отнести диэлектрики, в которых потенциальный барьер для элект^ЛАтЮ т 10 т>тлптттттто л» потгттттил^л ттл тто"» ттттлот. mrmnrir т чпплйнтотшт! <~чт тт т ТТттгт тп t/"tiv т;а i ^»wnci na i рапНЦС ^ naa y V iviwivi п^ 11iLJav^ I txiri^rinDi ,>ai 1 [J^lUv^onv/H оипш. /Д.ЛЛ l ai\KlA D^ ществ характерен аномальный тип релаксации внесенного электронным лучом заряда, при котором существенной становится электронная эмиссия с поверхности. Ключевым моментом здесь является разогрев электронно-дырочной плазмы электрическим полем внесенного заряда на периферии области облучения. Важным фактором, облегчающим полевой разогрев электронов до энергии, сравнимой с работой выхода, является преобладание полярного механизма электрон-фононного рассеяния в широком диапазоне энергий электрона.

Построена модель электрических процессов, сопровождающих электронно-лучевое воздействие на диэлектрики обоих типов. Основные результаты могут быть суммированы в виде таблицы 1.

Воздействие электронного луча на диэлектрик