Механизмы образования вторичных ионов кремния и меди при облучении ионами инертных газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова

РГб од

На правах рукописи

МАТУЛЕВИЧ ЮРИЙ ТАДЕУШЕВИЧ

Механизмы образования вторичных ионов кремния и меди при облучении ионами инертных газов

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Уразгильдин. И.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Мосунов A.C.

кандидат физико-математических наук Бачурин В.И.

Ведущая организация: Московский Авиационный Институт

Защита диссертации состоится 21 декабря 2000г. в 15°" часов на заседании Специализированного совета К.053.05.22 в МГУ по адресу: 119899 Москва, Воробьевы горы, физический факультет, ауд 5-19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 20 ноября 2000г.

Ученый секретарь

Специализированного совета /у

Кандидат физико-математических наук - л В. А. Кубарев

в37Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность ..темы. Одним из наиболее распространенных аналитических методов диагностики поверхности является вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС). Широкое использование ВИМС в микроэлектронике, материаловедении и в делом ряде других отраслей науки и техники связано с уникальными свойствами этого метода, обеспечивающего превосходную относительную (до 10"') и абсолютную (10"2° г) чувствительность при определении элементного состава поверхности твердого тела. :ВИМС позволяет регистрировать все элементы, включая водород, а также проводить послойный анализ поверхности. В основе ВИМС лежит явление эмиссии ионов материала мишени при бомбардировке поверхности ускоренными ионами, получившее название "вторичная ионная эмиссия" (ВИЭ).

Отсутствие в настоящее время развитой теории ВИЭ и ряд других обстоятельств затрудняют получение количественных результатов с помощью ВИМС без применения эталонов. Поэтому решение проблемы создания количественной методики анализа поверхности твердых тел связано с развитием существующих и созданием новых теорий ВИЭ, а также с разработкой и созданием более тонкой экспериментальной аппаратуры для проведения фундаментальных исследований по изучению закономерностей ВИЭ. До сих пор немало противоречивых результатов экспериментов различных авторов по некоторым проявлениям ВИЭ. Пожалуй, наиболее сложным и неясным из требующих экспериментального разрешения вопросов на настоящий момент является вопрос о локальном состоянии поверхности в области эмиссии вторичного иона. В первую очередь, важно знать электронное состояние поверхности: спектр возбуждения электронов, время термализации электронной подсистемы, динамику электронной температуры. Однако прямое измерение этих параметров чрезвычайно сложно и их изучение возможно по исследованию влияния локального

з

электронного состояния на процесс формирования вторичных ионов, что в свою очередь влияет на макроскопические особенности и закономерности вторичной ионной эмиссии.

Важную роль в изучении закономерностей ВИЭ играет исследование энергетических и угловых распределений вторичных ионов (ЭРВИ и УРВИ), которые очень удобны для проверки существующих теорий ВИЭ, а также служат основным инструментом для извлечения информации о процессах, приводящих к эмиссии вторичных ионов. Накоплен обширный объем экспериментальных данных об ЭРВИ и УРВИ. Однако эти данные плохо поддаются систематизации, а иногда и просто противоречивы.

Наиболее информативны одновременно измеренные угловые и энергетические распределения. Но вследствие экспериментальных трудностей данных такого рода чрезвычайно мало. Этим и определяется актуальность исследований угловых и энергетических распределений вторичных ионов, эмитируемых; при бомбардировке твердых тел ускоренными ионами.

Цель работы состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании физических процессов, определяющих зарядовые состояния атомных частиц лри их эмиссии с поверхности, облучаемой ионами кэВ-ных энергий. Выбор мишеней я диапазона энергии первичных ионов предполагал действие различных механизмов формирования зарядового состояния.

На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов. В работе впервые получены следующие научные результаты:

Проведены исследования энергетических распределений вторичных ионов кремния для различных углов эмиссии на полупроводниковых образцах кремния -п- и р-типа проводимости. Изменение формы энергетического спектра и сдвиг положения

максимума спектра Ешах с изменением угла эмиссии не зависят от типа проводимости и от угла падения первичного яучка, что согласуется с концепцией "металлизации" кремния в области развития каскада столкновений.

-Показано, что характер изменения Ешах при изменении угла эмиссии 0 может быть объяснен в рамках электронно-обменной модели формирования зарядового состояния, если предположить существование в области развития каскада локальной неравновесной электронной температуры, зависящей от времени.

- Исследован выход вторичных ионов кремния 81+, 81++ при бомбардировке поверхности поликристалла пучком ионов аргона Аг+ с различной энергией. Установлено, что с увеличением энергии вклад так называемого кинетического механизма (процесс оже-релаксации возбужденного атома Б1 с дыркой на 2р-оболочке) в образование вторичных, ионов кремния существенно растет, достигая примерно 80 % при энергии пучка 10 кэВ.

- Показано, что при бомбардировке поверхности меди ионами Аг+ и Хе+ кэВ-ных энергией происходит эмиссия отрицательных и положительных ионов меди с энергией примерно до 40 % от энергии первичного пучка. Моделированием определен характер столкновений атомных частиц, дозволяющих получать атомы отдачи со столь значительной энергией. Предложен усовершенствованный механизм образования отрицательных ионов.

Научная и практическая ценность.

Полученные результаты позволяют создать более полную картину механизма образования вторичных ионов при эмиссии с поверхности металлов и полупроводников, в частности показана важная роль возбуждения электронной подсистемы при ионном облучении в формировании зарядового состояния вторичных частиц.

Полученные результаты можно рассматривать как еще один ■ шаг на пути создания количественного метода вторичной ионной масс-спектрометрии, которая по-прежнему является самым чувствительным .методом анализа состава поверхности.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Результаты исследований, которые вошли в диссертационную работу, были доложены на XI, XII и XIV Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (Москва, 1993, 1995, 1999), на XVIII Международной конфереиции по атомным столкновениям с твердым телом (Оденс, Далия, 1999).

Структура и объем диссертации.

■ : ! • 11: ■ г

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 112 страницы, включая 22 рисунка и список литературы из 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дана общая характеристика работы.

Обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследований, новизна и практическая значимость работы, излагается структура диссертации.

Первая глава является литературным обзором по теме диссертации. В ней рассмотрены основные экспериментальные закономерности и механизмы вторичной иошюй эмиссии.. Отмечается, что для описания ВИЭ из большинства металлов и полупроводников применимы два основных механизма; электронного туннелирования и термализации, наряду с которыми для некоторых легких элементов (81, А1, Mg) действует также кинетический механизм при значительных энергиях первичного пучка. Обсуждается понятие локальной электронной температуры в области развития каскада столкновений, инициируемого первичной атомной частицей.

б

Во второй главе приводится описание экспериментальных

установок, использованных в работе, методов проведения эксперимента

и процедуры обработки данных. Установка, на которой получена

значительная часть экспериментальных результатов, представляет

собой сверхвысоковакуумзгую камеру с системой откачки,

обеспечивающей давление остаточных газов, не превышающее 10"9

торр. Предварительная очистка образцов осуществлялась ионным

распылением в рабочей камере при растровой развертке ионного пучка.

Ионная пушка позволяла формировать пучок ионов различных газов с

-2

энергией до 10 кэВ и плотностью тока на образце до 100 мА/см . Для масс-сепарации первичного пучка использовался фильтр Вина. Подвижный полусферический энергоанализатор заряженных частиц, сопряженный с квадрупояьным масс-спектрометром, позволял исследовать особенности эмиссии вторичных ионов с энергетическим, угловым и масс-разрешением. Осуществлялась коррекция полученных спектров на функцию пропускания системы, которая была рассчитана с помощью программы "SIMION-3D", специально предназначенной для расчета электронно-ионных оптических систем. Специально созданная компьютерная программа позволяла проводить измерения спектров в автоматическом режиме через соответствующие интерфейсы.

В третьей главе представлены результаты исследований вторичной ионной эмиссии из монокристаллов кремния различного типа проводимости.

Выбор кремния обусловлен большой шириной запрещешюй зоны, что позволяет легированием менять положение уровня Ферми Ef в широких пределах. Для исследования использовались монокристаллические пластины Si КЭФ 40 (кремний электронный, легированный фосфором с удельным сопротивлением г = 40 ом*см .грань (111) и Si КДБ 0.03 (111) (кремний дырочный легированный бором с г = 0.03 ом*см) с концентрацией, достаточной для вырождения полупроводника. Уровень Ферми в электрогшом кремнии лежал на 0. 85 эВ выше, чем в дырочном.

Бомбардировка образца осуществлялась ионами Ar с энергией 2 и 6 кэВ. Измерялись энергетические распределения вторичных ионов при различных значения«; угла эмиссии 0 и углах падения первичного пучка. Для обоих образцов было обнаружено, что при приближении направления вылета частиц к нормали происходит увеличение интенсивности выхода ионов Si, сужение спектра (уменьшите полуширины), и максимум энергетического распределения сдвигается в сторону низких энергий. Причем как характер, так и величина сдвига энергии максимума ЭРВИ при увеличении угла эмиссии © не зависела от типа образца (п- или р-тип) и от угла падения первичного пучка.

Так как энергетическое распределение всех вторичных атомных частиц (подавляющее большинство которых составляют нейтральные) имеет одинаковый вид и не зависит от угла эмиссии, то изменение спектров с углом эмиссии определяется механизмом ионизации. Известно, что с хорошей точностью вероятность ионизации Р+ демонстрирует экспоненциальную зависимость от разности (I - Ф), где I - потенциал ионизации вторичной частицы, Ф - положение уровня Ферми. Потенциал ионизации одинаков у эмитируемых частиц из образцов кремния в обоих экспериментах, следовательно есть основания полагать, что при бомбардировке легировашого кремния ионами аргона уровни Ферми для образцов п- и р-тина совпадают. Этот факт согласуется с результатом Шроубека (Phys. Rev. Lett., 1993, 70, 4019), рассчитавшем плотность электронных состояний (ПЭС) кремния при бомбардировке его частицами с энергией 600 эв. В результате расчетная плотность электрошсых состояний в каскаде столкновений оказалась близкой по структуре к ПЭС AI (запрещенная зона исчезает). Таким образом при бомбардировке происходит "металлизация" Si в области каскада столкновений, что и объясняет выравнивание положений уровня Ферми для Si п- и р- типа, а также тот факт, что вероятность ионизации Р+ для Si приблизительно равна Р+ для AI. Для чистой поверхности это Р* = 0. 008 и Р+ = 0. 007, соответственно для Si и AI, а для окисленной поверхности Р+ = 0. 6 и Р+ = 0. 7. .......

Сдвиг положения максимумов с изменением угла эмиссии, полученный экспериментально, соответствует сдвигу, рассчиташгому в рамках "элеклронно-обменной" модели формирования зарядового состояния, если предположить существование локальной высокой электронной температуры в области каскада столкновений, которая меняется со временем по мере развития каскада. (Klushin D.V., Gusev M.Yu., Lysenko S.A., Ura2gil'din I.F., Phys. Rev. В, 1996, 54, 7062). При таком предположении удалось воспроизвести не только сдвиг положения максимумов с изменением угла эмиссии, но и абсолютное значение вероятности ионизации, что не удавалось ранее в рамках других подходов. Необходимо отметить, что эта модель не противоречит известгош ранее моделям. При определенных условиях эти модели являются частными случаями используемого нами подхода, а именно, при больших скоростях он приводит к модели электронного туннелировакия, а при малых - к модели Шроубека, предложившего первым наличие неравновесной высокой эяектрогшой температуры в области каскада. Однако первая модель, позволяя объяснить сдвиг положения максимума спектров, дает на два порядка завышенное значение дня вероятности ионизации, а вторая - приводя к разумным значениям для вероятности ионизации, не дает сдвига спектров с изменением угла эмиссии.

Аналогичные исследования были проведены для поликристалла меди, т.е. измерялись энергетические распределения вторичных ионов при различных значениях угла эмиссии 9 и углах падения первичного пупса. Характер изменения энергетических спектров с углом эмиссии такой же как и случае кремния, т.е. при приближении направления вььтета частцц к нормали происходит увеличение интенсивности выхода ионов Си, сужение спектра (}^меньшение полуширины), и максимум энергетического распределения сдвигается в сторону низких энергий, хотя конкретные значения несколько отличаются. Применение модели, учитывающей существование локальной электронной температуры в области развития каскада столкновений также позволило и в этом случае объяснить сдвиг спектров и при этих же

параметрах получить численные значения для вероятности ионизации, отвечающие наблюдаемым в эксперименте.

В этой модели важную роль играет динамика развития электронной температуры. Динамика, в частности, зависит от разности фононной и электронной температур. Изменение фононной температуры возможно за счет нагревания образца. Соответствующий эксперимент был проведен, т.е. исследование изменения положения спектров с увеличением угла эмиссии при различных температурах поликристалла меди. Исследования показали, что сдвиг положения максимума спектров в сторону больших энергий уменьшается с увеличением температуры образца, и более того, при температурах > 700°С наблюдается инверсия сдвига, т.е. происходит сдвиг в сторону меньших энергий с увеличением угла эмиссии. Наряду с изменением сдвига спектров происходило общее увеличение выхода вторичных ионов с увеличением температуры.

Полученные температурные закономерности хорошо согласуются с предложенной моделью остывания электронной подсистемы и подтверждают наличие локального разогрева в области каскада соударений в твердом теле.

В четвертой главе представлены результаты исследований эмиссии высокоэнергетичных частиц при бомбардировке монокристалла Си (110) ионами инертных газов с энергией в единицы кэВ. Принято считать, что эмиссия вторичных частиц с высокой энергией (более 100 эВ) хорошо описывается в рамках модели электронного туннелирования, т.е. вероятность ионизации экспоненциальным образом зависит от "обратной" скорости частицы. Нами была исследована эмиссия положительных и отрицательных частиц при углах падения первичного пучка 30° (от нормали к поверхности) и более, т.е. допускающих жесткие столкновения. Из экспериментов, проделанных ранее (R.A.Baragiola et al., Phys. Rev. A, 1992, 45, 5286), следовало, что при таких условиях бомбардировки возможна эмиссия электронов с энергией, достигающей 40% от энергии первичных ионов. Было предложено немало моделей и механизмов для объяснения этого необычного эффекта, хотя эксперимент не был проделан с разрешением по массам. Наши

ю

измерения энергетических спектров отрицательных частиц показали, что действительно существуют частицы с энергией до 40% от энергии первичных ионов. Однако использование время-яропетной методики выявило, что эмиссия электронов дает вклад в энергетический спектр отрицательных частиц до 80 эВ, а все отрицательные частицы с более высокой энергией имеют соотношение тЛ} = 65 +/- 3, т.е. очевидно происходит эмиссия отрицательных ионов меди. Как следует из простого анализа, • парные соударения при используемых в эксперименте углах рассеяния не могут приводить к появлению столь высокоэнергетичных частил Компьютерное же моделирование процесса рассеяния показало, что возможны "сложные" соударения с участием более двух частиц, при которых энергия вторичных частиц может быть столь высокой. Расчет высокоэнергетичной части спектров с учетом вероятности ионизации, соответствующей модели электронного туннелирования, демонстрирует хорошее согласие с экспериментальными спектрами при различных углах эмиссии по отношению к первичному пучку. Следует отметить, что при проведении эксперимента без предварительной очистки поверхности образца, либо при напуске в камеру кисдорода или воздуха в спектре присутствовали отрицательные ионы кислорода, что также выявлялось при использовании время-пролетной методики.

Были также исследованы высокоэнергетичяые части спектров положительных частиц,. • состоявших исключительно из ионов меди (подавляющее большинство - однократно заряженные, очень незначительная часть - двукратно заряжешше), причем общий выход положительных ионов заметно превышал выход отрицательных ионов. Исследование отношения выхода отрицательных ионов к положительным в зависимости от их энергии продемонстрировало интересную закономерность. Если предположить, что эмиссия вторичных частиц с высокой энергией хорошо описывается моделью электронного тушшлирования (вероятность ионизации экспоненциальным образом зависит от "обратной" скорости частицы), тогда это отношение должно было бы асимптотически стремиться к единице при увеличении скорости, так как Р+ = ехр (- С7у) и Р = ехр (- С /у),

и

соответственно; и Р+ / Р" = ехр ((С"-С+)/у), где С >С* в силу того, что 'абсолютное значение вероятности образования положительных ионов больше чем на порядок превышает значение вероятности образования отрицательных ионов. На самом деле оказалось, что это отношение превышает единицу на два' порядка. Надо заметить, что получение такой экспоненциальной зависимости предполагает в качестве начального условия наличке соответствующего иона, который 'заведомо выживает при очень больших скоростях. Однако трудно представить такие начальные условия как для положительных так и для отрицательных частиц. Разумное предположение, что начальной стадией образования отрицательного иона является положительный ион с последующей нейтрализацией и захватом еще одного электрона, приводит к следующему выражению для вероятности образования отрицательных ионов Р = (1- Р+ )ехр(- С /V). Использование этого выражения для Р для отношения вероятностей ионизации демонстрирует хорошее согласие с экспериментальными результатами.

Заключительная часть четвертой главы посвящена изучению кинетического механизма образования вторичных ионов. Исследован относительный выход вторичных ионов кремния Б Г, 51г+, при

бомбардировке поверхности поликристалла Бг пучком ионов аргона Аг+ с различной энергией. Выход ионов Б!* увеличивается примерно в 10 раз при увеличении энергии первичного пучка с 2 до 10 кэВ, что значительно превышает увеличение коэффициента распыления, и связано с действием так называемого кинетического механизма (процесс оже-релаксации возбужденного атома с дыркой на 2р-оболочке). Установлено, что с увеличением энергии первичного пучка вклад кинетического механизма в образование вторичных ионов кремния 8Г существенно растет, достигая примерно 80 % при 10 кэВ. Это значение превышает соответствующие значения для А1 и при той же энергии облучения, что согласуется с большим временем жизни дырки на 2р-обояочке 81.

В заключении кратко перечислены основные результаты диссертации и сформулированы выводы:

- Установлено, что особенности вторичной ионной эмиссии кремния (изменение формы энергетического спектра и сдвиг положения максимума спектра с изменением угла эмиссии) не зависят от типа проводимости (п- и р-тип) и от угла падения первичного пучка, что согласуется с концепцией "металлизации" кремния в области развития каскада столкновений.

- Показано, что характер изменения положения максимума спектра Етах при изменении угла эмиссии 9 вторичных ионов при

■ Щ .и /:: . ■. • > К ' ■

эмиссии из кремния и меди может быть объяснен в рамках электронно-обменной модели формирования зарядового состояния, если предположить существование в области развития каскада столкновений локальной неравновесной электронной температуры, зависящей от времени.

- Исследовано изменение положения спектров вторичных ионов меди с увеличением угла эмиссии ггри различных температурах поликристалла меди. Показано, что сдвиг положения максимума спектров в сторону больших энергий уменьшается с увеличением температуры образца, и более того, при температурах > 700°С происходит сдвиг в сторону меньших энергий с увеличением угла эмиссии. С увеличением температуры происходило также общее увеличение выхода вторичных ионов. Показано, что полученные температурные закономерности хорошо согласуются с предложешюй моделью остывания электронной подсистемы и подтверждают наличие локальною разогрева в области каскада соударений в твердом теле.

- Показано, что при бомбардировке поверхности меди ионами Аг+ и Хе+ кэВ-ных энергией происходит эмиссия отрицательных и положительных ионов меди с энергией примерно до 40 % от энергии первичного пучка. Моделированием определен характер столкновений атомных частиц, позволяющих получать атомы отдачи со столь

значительной энергией. Предложен усовершенствованный механизм образования отрицательных ионов.

- Исследован выход вторичных ионов кремния Si+, Si2+, Sit+ при бомбардировке поверхности'пёликристалла Si>пучком ионов аргона Аг+ с различной энергией. Установлено, что с увеличением энергии первичного пучка вклад так называемого кинетического механизма (процесс оже-релаксации возбужденного атома Si с дыркой на 2р-оболочке) в образование вторичных ионов кремния Si* существенно растет, достигая примерно 80 % при энергии пучка 10 кэВ.

Список публикаций по теме диссертации

1. Деребас И Л., Лысенко С.А., Матулевич Ю.Т., Промохов A.A., Зависимость энергетических спектров вторичных ионов от угла эмиссии из кремнияр-Иn-типа. Известия РАН, сер.физ., 1994, 58, N4, с.158-162.

2. Клушин Д.В., Лысенко С.А., Гусев М.Ю., Матулевич Ю.Т., Кошшгон Дж.'С./Уразгильдин И.Ф. Особенности формирова1шя энергетических спектров вторичных ионов при различных углах эмиссии. - Известия РАН, сер.физ., 1996, 60, N 4, с. 174-176.

3. Деребас И:А., Лысенко С.А., Матулевич Ю.Т., Промохов A.A., Уразгияьдин И.Ф. Зависимость энергетических спектров вторичных ионов от угла эмиссии из кремния р- и п-тяпа. - Матер. XI Международ конф. по взаим. ионов с поверхностью, Москва, 1993, т.2, стр.90-92.

4. A.A. Плешков, А.И. Фильчакрв,, И.Д. Деребас, ЮТ. Матулевич, Исследование энергетических спектров вторичных ионов меди при различных: температурах образца., Матер. XIV Международ, конф. "Взаимодействие ионов с:поверхностью", Москва, 1999, т. 3, с.271-274.

5:' В.Е.Чекин, Ю.Т.Матулевич, И.Ф.Уразгильдин, М.К.Боброва, Л.Б.Шелякин, Влияние деформации металла на вторично-эмиссионные свойства, Матер. XIV Международ, конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 1999, т.1, с.268-270.

6. Usman E.Yu., Pleshkov A.A., Matulevich Yu.T, Urazgildin I.F., Electronic temperature dynamics in collision cascade in solid., Proceed, of XVIII lnternat. Conf. on Atomic Collisions in Solids, Odense, Denmark, 1999, P. 172

7. Ю.Т.Матулевич, И.К.Хрустачев, К.Ф.Миннебаев, И.Ф.Уразгильдин, В.Е.Юрасова, Кинетическая вторичная ионная эмиссия кремния., Матер. XIV международ, конф. "Взаимодействие ионов с поверхностью", Москва, 1999, т.1, с.264-267.

8. К.Ю.Усман, Ю.Т.Матулевич, Поведение электронной подсистемы твердого тела в каскаде столкновений. Динамика электронной температуры. Известия РАН, сер.физ., 2000, т. 64, сс. 787-790.

9. Ю.Т.Матулевич, И.К.Хрустачев, К.Ф.Миннебаев, И.Ф.Уразгильдин, В.Е.Юрасова, Кинетическая вторичная ионная эмиссия кремния. -Известия РАН, сер.физ., 2ООО, т. 64, сс. 665-671.

10. E.Yu.Usman, Yu.T.Matulevicli, I.F.Urazgil'din, Calculation of electronic temperature dynamics in a collision cascade in a solid, Vacuum, 2000, vol.56, pp.293-297.

ООП физ.ф-та МГУ Зак. 195-70-2000

Введение

Глава 1. Основные закономерности вторичной ионной эмиссии обзор литературы).

1.1. Физические основы явления.

1.2. Экспериментальные методы

1.3. Модели формирования вторичных ионов

1.3.1. Модель разрыва связи

1.3.2. Кинетическая модель

1.3.3. Электронно-обменная модель

Глава 2. Экспериментальная установка

2.1. Модуль формирования первичного ионного пучка

2.2. Энергоанализатор

2.3. Квадрупольный масс-спектрометр

Глава 3. Исследование энергетических спектров вторичных ионов кремния и меди 48 3.1 Исследование энергетических спектров вторичных ионов кремния п- и р- типа

3.1.1. Методика проведения эксперимента

3.1.2. Результаты и обсуждение

3.2. Влияние разогрева образца на энергетические спектры вторичных ионов меди

3.3. Исследование энергетических спектров вторичных ионов поликристалла меди 61 3.3.1. Результаты и обсуждение

Глава 4. Исследование эмиссии высокоэнергетичных вторичных ионов меди и кинетической вторичной эмиссии кремния 70 4.1 .Исследование эмиссии высокоэнергетичных частиц при бомбардировке Си (110) ионами инертных газов.

4.1.1. Введение

4.1.2. Методика эксперимента

4.1.3. Экспериментальные результаты

4.1.4. Компьютерное моделирование 4.2.Вклад кинетического механизма в эмиссию вторичных ионов кремния

4.2.1. Методика эксперимента

4.2.2. Результаты и обсуждение

В последнее время широкое распространение получили вторично-эмиссионные методы анализа свойств поверхности твердого тела. Интерес к поверхности связан с ее большой ролью в целом ряде отраслей науки и техники, таких как микроэлектроника, материаловедение, создание пленочных покрытий и т.д. Одним из наиболее распространенных аналитических методов диагностики поверхности является вторичная ионная масс-спектрометрия (ВИМС). Широкое использование ВИМС в микроэлектронике, материаловедении, и в целом ряде других отраслей науки и техники связано с уникальными свойствами этого метода, обеспечивающего превосходную относительную (до ю-9) и абсолютную (10"2° г) чувствительность при определении элементного состава поверхности твердого тела. ВИМС позволяет регистрировать все элементы, включая водород, а также проводить послойный анализ поверхности. В основе ВИМС лежит явление эмиссии ионов материала мишени при бомбардировке поверхности ускоренными ионами, получившее название "вторичная ионная эмиссия" (ВИЭ).

Отсутствие в настоящее время развитой теории ВИЭ и ряд других обстоятельств затрудняют получение количественных результатов с помощью ВИМС без применения эталонов. Поэтому решение проблемы создания количественной методики анализа поверхности твердых тел связано с развитием существующих и созданием новых теорий ВИЭ, а также с разработкой и созданием более тонкой экспериментальной аппаратуры для проведения фундаментальных исследований по изучению закономерностей ВИЭ. До сих пор немало противоречивых результатов экспериментов различных авторов по некоторым проявлениям ВИЭ. Пожалуй, наиболее сложным и неясным из требующих экспериментального разрешения вопросов на настоящий момент является вопрос о локальном состоянии поверхности в области эмиссии вторичного иона. В первую очередь, важно знать электронное состояние поверхности: спектр возбуждения электронов, время термализации электронной подсистемы, динамику электронной температуры. Однако прямое измерение этих параметров чрезвычайно сложно и их изучение возможно по исследованию влияния локального электронного состояния на процесс формирования вторичных ионов, что в свою очередь влияет на макроскопические особенности и закономерности вторичной ионной эмиссии.

Важную роль в изучении закономерностей ВИЭ играет исследование энергетических и угловых распределений вторичных ионов (ЭРВИ и УРВИ), которые очень удобны для проверки существующих теорий ВИЭ, а также служат основным инструментом для извлечения информации о процессах, приводящих к эмиссии вторичных ионов. Накоплен обширный объем экспериментальных данных об ЭРВИ и УРВИ. Однако эти данные плохо поддаются систематизации, а иногда и просто противоречивы.

Наиболее информативны одновременно измеренные угловые и энергетические распределения. Но вследствие экспериментальных трудностей данных такого рода чрезвычайно мало. Этим и определяется актуальность исследований угловых и энергетических распределений вторичных ионов, эмитируемых при бомбардировке твердых тел ускоренными ионами.

Цель работы состояла в экспериментальном и теоретическом исследовании физических процессов, определяющих зарядовые состояния атомных частиц при их эмиссии с поверхности, облучаемой ионами кэВ-ных энергий. Выбор мишеней и диапазона энергии первичных ионов предполагал действие различных механизмов формирования зарядового состояния.

На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов. В работе впервые получены следующие научные результаты:

Проведены исследования энергетических распределений вторичных ионов кремния для различных углов эмиссии на полупроводниковых образцах кремния -п- и р-типа проводимости. Изменение формы энергетического спектра и сдвиг положения максимума спектра Етах с изменением угла эмиссии не зависят от типа проводимости и от угла падения первичного пучка, что согласуется с концепцией "металлизации" кремния в области развития каскада столкновений.

-Показано, что характер изменения Етах при изменении угла эмиссии 0 может быть объяснен в рамках электронно-обменной модели формирования зарядового состояния, если предположить существование в области развития каскада локальной неравновесной электронной температуры, зависящей от времени.

- Исследован выход вторичных ионов кремния 81+, 812+, при бомбардировке поверхности поликристалла пучком ионов аргона Аг+ с различной энергией. Установлено, что с увеличением энергии вклад так называемого кинетического механизма (процесс оже-релаксации возбужденного атома 81 с дыркой на 2р-оболочке) в образование вторичных ионов кремния 81+ существенно растет, достигая примерно 80 % при энергии пучка 10 кэВ.

Показано, что при бомбардировке поверхности меди ионами Аг+ и Хе+ кэВ-ных энергией происходит эмиссия отрицательных и положительных ионов меди с энергией примерно до 40 % от энергии первичного пучка. Моделированием определен характер столкновений атомных частиц, позволяющих получать атомы отдачи со столь значительной энергией. Предложен усовершенствованный механизм образования отрицательных ионов.

Научная и практическая ценность.

Полученные результаты позволяют создать более полную картину механизма образования вторичных ионов при эмиссии с поверхности металлов и полупроводников, в частности показана важная роль возбуждения электронной подсистемы при ионном облучении в формировании зарядового состояния вторичных частиц.

Полученные результаты можно рассматривать как еще один шаг на пути создания количественного метода вторичной ионной масс-спектрометрии, которая по-прежнему является самым чувствительным методом анализа состава поверхности.

Апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ [110]. Результаты исследований, которые вошли в диссертационную работу, были доложены на XI, XII и XIV Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (Москва, 1993, 1995, 1999), на XVIII Международной конференции по атомным столкновениям с твердым телом (Оденс, Дания, 1999).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 112 страницы, включая 22 рисунка и список литературы из 87 наименований.

Выводы к 4.2

Исследованы энергетические спектры вторичных ионов 81+, 8Ь+, при различных углах эмиссии с поверхности. Все спектры демонстрируют сдвиг положения максимума в сторону больших энергий с увеличением угла эмиссии.

Анализ спектров дает основания считать, что релаксация 2р дырки главным образом происходит вблизи поверхности с участием валентных электронов.

При бомбардировке поликристалла кремния ионами Аг+ с энергией 10 кэВ до 80% вторичных ионов кремния образуется по кинетическому механизму.

Заключение

В заключении кратко перечислены основные результаты диссертации и сформулированы выводы:

- Установлено, что особенности вторичной ионной эмиссии кремния (изменение формы энергетического спектра и сдвиг положения максимума спектра с изменением угла эмиссии) не зависят от типа проводимости (п- и р-тип) и от угла падения первичного пучка, что согласуется с концепцией "металлизации" кремния в области развития каскада столкновений.

- Показано, что характер изменения положения максимума спектра Етах при изменении угла эмиссии 0 вторичных ионов при эмиссии из кремния и меди может быть объяснен в рамках электронно-обменной модели формирования зарядового состояния, если предположить существование в области развития каскада столкновений локальной неравновесной электронной температуры, зависящей от времени.

- Исследовано изменение положения спектров вторичных ионов меди с увеличением угла эмиссии при различных температурах поликристалла меди. Показано, что сдвиг положения максимума спектров в сторону больших энергий уменьшается с увеличением температуры образца, и более того, при температурах > 700°С происходит сдвиг в сторону меньших энергий с увеличением угла эмиссии. С увеличением температуры происходило также общее увеличение выхода вторичных ионов. Показано, что полученные температурные закономерности хорошо согласуются с предложенной моделью остывания электронной подсистемы и подтверждают наличие локального разогрева в области каскада соударений в твердом теле.

Показано, что при бомбардировке поверхности меди ионами Аг+ и Хе+ кэВ-ных энергией происходит эмиссия отрицательных и положительных ионов меди с энергией примерно до 40 % от энергии первичного пучка. Моделированием определен характер столкновений атомных частиц, позволяющих получать атомы отдачи со столь значительной энергией. Предложен усовершенствованный механизм образования отрицательных ионов.

- Исследован выход вторичных ионов кремния 81+, 812+, 81++ при бомбардировке поверхности поликристалла 81 пучком ионов аргона Аг+ с различной энергией. Установлено, что с увеличением энергии первичного пучка вклад так называемого кинетического механизма (процесс оже-релаксации возбужденного атома 81 с дыркой на 2р-оболочке) в образование вторичных ионов кремния 81+ существенно растет, достигая примерно 80 % при энергии пучка 10 кэВ.