Новые аналитические возможности метода СОРИНЭ при исследовании поверхности твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ §ШШО-ТЕХШИЕСК1Й ИНСТИТУТ

IIa правах рукопяса

Тшлашэв Мшсаил Юрьевич

537,533.74

НОВЫЕ АШШШШСЯШЕ БОШСЕНОСТИ ГЖГОДЛ С0Р1НЭ ПРИ ШСЛВДОВАНШ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ TRI (С РАЗРАБОТКОЙ АППАРАТУРУ)

01.04,04 — юпзпчосхоя ч«зг.Х00;П!ка

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата' фпз2ко-глатег.атпческпх наук

Г.оскга - ISS3

Работа выполнена в Научно-исследовательском технологическом института (НИТИ), г.Рязань

Научный руководитель*

кандидат физико-математических наук

старший научный оотрудник

О ,С .Волков

Консультант:

Г.Н.Щушш

Официальные оппоненты]

доктор физико-математических наук

кандидат физико-математических наук

Ю.В.Мартыненко Е.А.Тишин

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный технический университет

Защита диссертации состоится "23" февраля 1993 г. в 14 часов на заоедании специализированного совета К 063,91.01 по присуждении ученой степени кандидата наук в Московском ордена Трудового Красного знамена фявик о-техшческоы институте по адресу:

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан

- Учэннй секретарь .. специализированного совета к.ф.-м.к.

Н.Д.Коновалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие и разработка методов анализа поверхности твердых тел (ТТ) связаны с появлением новых технологий, характеризующихся большим числом одновременно используемых физических свойств поверхности ТТ. Наиболее полную информацию о поверхности в настоящее время получают с помощью методов электронной и ионной спектроскопии. Наиболее распространенными из них являются электронная оже-спектроскопия (ЭОС), ультрафиолетовая и рентгеновская фотоэлектронные спектроскопии (УФЭС и РФЭС), масс-спектроскопия вторичных выбитых ионов (МСББИ) и спектроскопия обратно рассеянных ионов низких энергий (СОРИНЗ). Все перечисленные методы по сравнению с последним методом СОРИНЭ обладают большей глубиной анализа (10т20 А), что приводит к усреднению получаемых результатов по толщине слоя и в ряде случаев не позволяет однозначно определять состав и структуру внешнего монослоя поверхности ТТ. Развитие метода СОРИНЭ связано с его повышенной чувствительностью к верхнему атомному слою поверхности, что обеспечивает получение информации с локальностью по глубине около бА.

Однако до настоящего времени все не остается дискуссионным вопрос о границах применения формулы паргшх упругих соударений в методе СОРИНЭ для расшифровки спектра в области низких энергий налетающих частиц. Можно считать, что возможности метода СОРИНЭ для исследования поверхности ТГ при гипертермалькых энергиях ионов (ниао 100эВ) мало изучены. Далее, - уке в отношении существующей аппаратной реализации метода СОРИНЭ, недостатками являются невысокая чувствительность установок для анализа примесей на поверхности полупроводниковых материалов и ошибки в результатах анализа из-за больших значений энергий и тока зондирующего пучка. Эти " соображения в значительной мере определяют актуальность теш в научном и практическом планах.

Одним из эффективных направлений применения метода СОРИНЭ являются, по нашему мнению, исследования поверхности эмиттеров с отрицательны?! электронным сродством (ОЗС). Исследования изменений состава поверхности эмиттеров в процессе различных технологических операций ( термообработки, нанесения активирующего покрытия и др.),-причем с моноатомным разрешением по глубина,-безусловно, дадут цен-

ную информацию о физических закономерностях формирования именно внешнего монослоя поверхности, вааяеШаего для функционирования эмиттеров, и позволит не только уточнить ыеханизы этого функционирования, но и улучшить технологи» производства эмиттеров с ЭОС.

Целью данной работы являлось выяснение закономерностей взаимодействия ионов низких энергий с поверхности) ТТ,- включая диапазон гипертермальных энергий,.для расширения аналитических возможностей метода СОРИНЭ и разработки соответствующей аппаратуры. Эта цель достигалась путем изучения с помощью высокочувствительной аппаратуры особенностей.изменения энергетических спехтров рассеянных ионов низких и гипертермальных энергий в зависимости от различных физических факторов, и дальнейшего применения метода СОРИНЭ и дополнительных к нему методов ионно-нейтрализациояной спектроскопии (ИНС), экзоэлект-ронной эмиссии СЭЭЭ) и спектроскопии атомов отдачи (CAO) с учетом новых выявленных закономерностей рассеяния для анализа поверхности модельных и технологических объектов.

Исследования, проведенные методом СОРИНЭ, позволили получить следующие новые научные результаты: •

1. Установлено(- на примере Не—Si и Ne-~Au) ,что в диапазоне гипертермальных энергий при малых отношениях масс взаимодействующих частиц (эксперимент Ne-«-Si) наблюдается рассеяние от групп атомов,

_ но при большх отношениях масс взаимодействующих частиц (эксперимент Не-«-Аи) сохраняется парное упругое рассеяние. Минимальная энергия зондирухмзих ионов, рассеиваемых в результате парного соударения,ограничивается притягивающим потенциалом поверхности.

2. Обнаружен в энергетическом спектре ионов гипертермалыш энергии, рассеянных от поверхностей, обладающих кристаллической структурой, пик объясняемый фокусонной теорией и расположенный за пиком рассеянных ионов.

3. По спектрам рассеянных гипертермальиых ионов определена поверхностная температура Дебая и смещение атомов в перпендикулярном . направлении для Au, Bi, Со.

4. Установлено, что максимальный ионный выход рассеянных ионов Но наблюдается в диапазоне первичных энергий 15-20эВ.

5. Экспериментально установлено поверхностное плавление ь As-подрешегке при вакуумной термообработке GaAa,

8. Методами СОРИНЭj CAO; ИНС и- ЭЭЭ установлено, что при формировании ыонослойиого покрытия Сз на поверхности СаДч происходит изменение зарядового состояния Сс от

зонного к дипольному 5 качало перехода в дипольное состояние соответствует величине покрытия 0,2f0,6 монослоя (мел) для СаАз а зависит от соотношения элементов III и V групп на поверхности.

7. Показано,что важнейшей из причин деградации эмиттеров с ОЭС является миграция цезия по поверхности.

8. Установлено, ^что напуск инертной атмосферы в рабочую камеру до давления ^ 4*10 Topp позволяет увеличить время жизни фотоэмиттера з 5*7 раз.

На защиту выносятся:

1. Конструкция встраиваемого в камеру установки спектрометра обратно рассеянных ионов низких и гипертермальиых энергий с параметрами: диапазон знергий-2 f 5000эВ; угол рассеяния Ф = 140° ; чувствительность ( по Au ) 2-10 имп/с'НА; предел обнаружения — 10,а ат/см3; рабочий диапазон первичного тока 1<Г fió'2 А; диаметр первичного пучка О, lfiiiu.

2. Способ определения структурного состояния поверхности (аморфизо-зашгое или кристаллическое) металлов и полупроводников методом рассеяния ионов гипертермальных энергий по обнаруженному нами пику в энергетическом спектре с энергией,близкой к энергии первичных ионов.

3. Способ определения зарядового состояния ( ионное или дипольиое ) одатсмов целочных металлов на поверхности полупроводников и тугоплавких металлов по нелинейности зависимости тока рассеянных ионов от степени покрытия,

4. Способы поЕЫзешм стабильности и чувствительности эмиттеров с ОЭС.заютчавзиеся: 1) з обогащении поверхности арсенида галлия ато-мамп Аз путем прогрева в вакууме и контроля методом СОРШ; 2)в по(7 г.:сц<?;ш! эмиттера с ОЗС а .атмосферу инертного газа (líe), давлением до

«Ю- Topp; 3) в уменымнип миграций Сз по поверхности эмиттера путем окисления периферии фотокатода.

Научная ценность полученных результатов вырагается в дальней-пом углублении понимания физических процессов, происходящих при взаимодействии ионов низких и гипертермальных энергий с атомами поверхности ТТ.

Практическая ценность работы состоит в значительном совершенствовании аппаратуры п методики СОИШ. Полученные результаты могут быть использованы при создании спектрометров ионного рассеяния прокаленного типа с весьма чувствителышы олеизнтпш анализом поверх-

ности и при совершенствовании самой технология производства фотоэмиттеров с ОЭС.

Достоверность результатов обеспечивалась разработанной аппаратурой, позволившей привлечь комплекс дополнительных методов: экзо-электронной эмиссии (ЭЭЭ), спектроскопии атомов отдачи (CAO), ион-но-нейтрализационной спектроскопии (ИНС), терыодесорбционной масс-спектроскопии (ТДМС), электронной оже-спектроскопии (ЭОС), газовой масс-спектроскопии. Были выполнены все необходимые исследования фо-тоэыиссии образцов, а также,- попутно, их вторичных электронно-электронной и ионно-электронной эмиссия (БЭЭЭ и ВИЭЭ).

Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XX и XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (Киев,1987; Ленинград,1991); IX Всесоюзной конференции , "Взаимодействие атомных частиц с поверхностью твердого тела" (Москва, 1089); Всесоюзном совещании-семинаре "Диагностика поверхности ионными пучками" (Донецк,1988; Одесса,1990); Всесоюзной конференции "Поверхность - 89 (Черноголовка,1S89); VI Всесоюзном симпозиуме "Вторично-электронная; фотоэлектронная эмиссии и спектроскопия поверхности" (Рязань,1986); V Всесоюзной конференции "Тройные полупроводники и их применение" (Кишинев,1987).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 7 журнальных стать, ях и 14 сообщениях в сборниках тезисов докладов на указанных выше конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературу. Она изложена на -tW страницах машинописного текста, содержит SS рисунков и 2 таблицы на 2 отдельных страницах, а такие список литературы, • включающий 170 наименований. Всего в диссертации по сквозной нумерации страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЦ '

Во Введении дается обоснование актуальности проведенных исследований, формулируется цель работы, кратко излагаются основные.резуль таты и положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней изложены уже известные результаты теоретического и экспериментальное изучения процесса ионного рассеяния низких и гипертермальных энергий. Попутно рассмотрены основные фактора, определяющие ионный выход в слу-

чае низкоэнергетического рассеяния ионов инертных газов. В частное- ' ти,приведены возможные механизмы нейтрализации ионов и методы расчета сечения рассеяния с использованием наиболее часто употребляемых потенциалов взаимодействия. Показано, что рассчитанные по ним сечения рассеяния отличается друг от друга в 10 и более раз, особенно в области энергий менее 100эВ.

Расшифровка спектра рассеянных ионов в методе СОРИНЭ обычно осуществляется по формуле парного упругого соударения. Однако вопрос о нижней границе использования этой формулы остается дискуссионным. В значительной степени данное обстоятельство связано с экспериментальными трудностями при реализации метода ионного рассеяния в области энергий менее 100эВ, При этом в диапазоне энергий менее 20эВ вообще отсутствуют подобные исследования, выполненные для ионов инертных газов.

Анализируя далее литературные данные относительного аппаратурного оформления метода СОРИНЭ, показано, что максимальной чувствительностью обладает спектрометр ионного рассеяния на базе цилиндрического зеркального анализатора (ЦЗА) с соосно расположенной ионной пушкой„ Однако,- несмотря на значительное количество публикаций, касающихся аппаратурной реализации метода ионного рассеяния, отсутствуют спектрометры, позволяющие решать научные и практические задачи как в области низких, так и в области гипертермальных энергий.' Мало работ посвящено оценке предельных характеристик метода СОРИНЭ, - в частности, по пределу обнаружения чужеродных атомов на поверхности и в объеме.

Рассматривая проблемы, связанные как с физикой, так и с технологией изготовления эмиттеров с ОХ отмечается, что для решения.ряда основных зопросов гтаких, как вопросы о взаимосвязи мезду стехиометрией поверхности йпАэ и конечной чувствительность» фотоэмиттера, влиянии состава поверхности фотоэмиттера на его стабильность, механизме процесса формирования активного слоя фотоэмиттера в целом (включая сюда и зарядовое состояние адатомов на поверхности подложки), а таете о деградация этого слоя,требуется метод анализа поверхности с моноатомным разрешением по глубине.

В заключении главы сформулированы выводы из обзора литературы и задачи, поставленные для решения в данной работе.

Вторая глава посвящена обсуждения методических вопросов измерений и описании примененных для их решения экспериментальны)', средств.

Разработанная высоковакуумная установка {ртеЛ) содержала птт-

- б -

Рис. 1. Схема экспериментальной установки, содержащей цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗА) с коаксиальной ионной пушкой (ИП): 1 - измерительная камера; 2 - прогреваемый держатель образца; 3 - ЦЗА;. 4,10 ~ источники Сз с блоками накала(БН); 5 - ионная пушка с блоком питания (БП); В - датчик для Э5Э; 7 - электронная пушка с блоком питания(БП); 8 - источник света с системой фокусировки; 9 - масс-спектрометр.

паратуру для осуществления элементного анализа поверхности методами СОРИНЭ, CAO, ЭОС; аппаратуру для исследования энергетического состояния поверхности методом ЭЭЭ; аппаратуру для исследования электронной структуры поверхности методом ЙНС; масс-спектрометр для изучения десорбции с поверхности образца и анализа остаточной атмосферы; систему-дозированного напуска газа требуемой чистоты; калиброванные источники цезия й кислорода, для моделирования процесса формирования эмиттера с ОЭС; калиброванный источник света с фокусирующей оптикой для проведения фотоэмяссионных измерений.Система откачки установки обеспечивала вакуум до 1,5-ICT" Topp.

В связи с характером решаемых задач применялись два варианта набора аналитического оборудования рабочей камеры,отличающиеся мек-ду соббй энергоанализаторами. В первом варианте для изучения угловых зависимостей методом СОРИНЭ.и реализации метода CAO применялся разработанный нами 180°- ный полусферический анализатор с энергетическим разрешением ~ О,и угловым >"2? Он устанавливался на поворотную платформу, что позволяло изменять угол рассеяния от 50° до 160 . Во втором варианте (см. рис.1) использовался модифицированный цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗА) с коаксиально встроенной ионной пушкой (ИЛ), что позволило получить в методе СОРИНЭ выигрыш по чувствительности в -"100 раз, по сравнению с первым вариантом,при одинаковых угловом и энергетическом разрешениях.

Для ренекия поставленных в работе, задач необходимо было иметь пучок ионов с энергиями от 2эВ до 5кэВ, причем габариты ИП доляны были обеспечить ее удобное размещение во внутреннем цилиндре ЦЗА.

Разработка ИП осуществлялась с помощью ЭВМ.Критерием оптимальности при расчетах являлось уменьшение диаметра пучка при сохранении' постоянной величины ионного тока. Для достижения оптимальных характеристик ИП в процессе моделирования варьировались: конфигурация электродов; их взаимное расположение ; соотношение потенциалов; положение катода; начальная энергия, угол и точка вылета частицы.

Функционально рассчитанная нонно-оптическая схема (ИОС) ИП включала источник ионов, систему экстракции, конденсоркую и объективную линзы.

По результатам машинного моделирования была разработана конструкция ЙП с ионизацией газа электронным ударом и кольцевыл катодом. Экспериментально измеренные параметры ИП были: энергия ионов Ео=2-г5000эЗ; ток IQ=1Ö9 у10г А при диаметре пучка d =0,1~1мм, энер гетическом разбросе д Е0=* 0,2 т 0,8эВ и угловой неоднородности ûjfù 1%7°.

-о -

Энергетический и угловой разброс ионов в первичном пучке кзме-рялся с помощью разработанного нами плоскопараллельного 4-х сеточного тормозящего анализатора, имеющего разрешение *"0,03# ( Е0 = 1000эВ). Применение плоскопараллельного анализатора также позволило определить энергию ионов в пучке в зависимости от потенциалов на электродах ИП.

Дополнительно к ИП- для ионов благородных газов нами в ряде экспериментов использовалась ИП на ионах На. Ионы натрия образовывались в результате положительной ионизации его атомов на поверхности накаленной проволоки (ПНЮ из плава й-1г; эта ИП давала в диапа-не энергий Е =1т5кэВ ток 1о=10 -К)"' А при энергетическом разбросе менее 1эВ и угловом разбросе "1° .

Регистрация спектров СОРИНЭ, САО, ИНС, ЭЗЭ проводилась в режиме ЖЕ) методом счета отдельных импульсов. Регистрация спектров ЭОС осуществлялась с помощью стандартной аппаратуры в режиме синхронного детектирования.

В конце главы описана методика проведения количественного анализа методой СОРИНЭ с помощью калибровки по чистым стандартам. Приводятся результаты контрольных измерений, направленных на определение предела обнаружения примесей различных элементов в объеме и на поверхности методом СОРИНЭ. На примере Аз, имплантированного в Б! и системы Б1-ОаАз показано, что предел обнарукения Аз в 31 не хуне 10 ат/см ; обнаруженные поверхностные концентрации Са и Аз продифн, фундировавшие на поверхность кремниевой пленки,составляли К^З.б-Юмсл, N«,-1.7-10 мел. Динамический диапазон в режиме послойного анализа составил 2,5 порядка.

В третьей главе изловены результаты исследования рассеяния ионов гипортериалышх энергий поверхность» ТТ.

Диапазон энергий пучка ионов (Ые .Не*) составлял*2т2000эВ; в качестве образцов, использовались следующие материалы: БШ11), Аз, 1пАзС100), Со, Аи, РЬ, В1. Контроль чистоты поверхности осуществлялся методами. СОРИНЭ и ЭОС. При необходимости учитывалось влияние контактной разности потенциалов (КРП) мехду образцом и электродами энергоанализатора рассеянных ионов. Величина КРП измерялась по смещению кривых ВЭЭЭ или ИЭЭ (для поверхности чистых образцов).

В основном исследования заключались в измерении положения максимумов пиков рассеянных ионов на энергетической шкале развертки

в зависимости от первичной энергии. Дополнительно к энергии пика фиксировалась его ширина на полувысоте и нормированная на первичный ионный ток и энергетическое окно ЭА интенсивность.

Установлено, что в области гипертермальных энергий экспериментально снятая зависимость энергии рассеянного иона (Е,) от начальной энергии (Е3) сдвинута вниз по оси ординат (Е { ) относительно теоретической зависимости Ef =/(Е„)при неизменившемся угле наклона (ркс.2) Подобный характер наблюдался в случае рассеяния Ne на (As.Au.Bi) и Не на РЬ.

Однако величина сдвига д Е была индивидуальна для каждой пары взаимодействующих частиц. Для его объяснения было сделано предположение, что на ион, приближающийся к поверхности, действует кроме мегатомного потенциала взаимодействия еще и потенциал поверхности, ускоряющий частицы при приближении к поверхности и тормозящий их при отлете на ту Ее величину. Отсюда следует,что ионы могут рас -свиваться от поверхности ТГ и быть зарегистрированными ,если они обладают энергией, выше некоторой пороговой Е^.Ионы с первичной энергией меньше пороговой захватываются поверхностью. Из анализа хода теоретической и экспериментальной зависимостей следует, что:

кг "

где Е, -теоретическое значение энергии рассеянного иона; Ej -экспериментальное значение энергии рассеянного иона; к -коэффициент, зависящий от угла рассеяния и отношения масс взаимодействующих частиц.

Проведенный теоретический расчет пороговой энергии с использованием потенциала Бирзака - Цкглера в комбинации с потенциалом сил изображения показал, что наблюдается хорошее согласие для систем îîe-*Au, Ne-As, Ne~Bi и несколько хуже в случае Не-РЬ.

Показано на примере Îie-Si, что для близких масс взаимодействующих частиц отклонение от случая парного соударения происходит уже при начальной энергии "»ЮОзВ. С уменьшением энергии наблюдается рост "эффективной" массы. Сделано предположение, что данный эффект связан с величиной смещения атома поверхности в процессе взаимодействия. Проведенный расчет динамики удара "ион -»атом поверхности" для пар H?-Si и lie"—Ли, (Е0=50эВ)с использованием потенциала Бирзакв-Циглера показал, что за время передачи энергии ионом атом отдачи Я\ сдвинется на ЗА,"атом яе отдачи Au только на ОДА.

Рис.2.Расчетная (а) и экспериментальная (6) зависимости энергии пика рассеянных ионов е^ от начальной анергии Ео .

Ф

Рис.3.Спектры рассеянных иоков Ле от поверхности полккристаллического Ли. , записан-1ша при различных значениях Ео: а) Ес= . 83,5эВ; Ь) ЕояЗ.ЗаВ.. '

Измерения параметров аппаратуры показали, что основной вклад в Сирину пика рассеянных ионов в области гипертермальных энергий вносят тепловые колебания атомов поверхности. Из экспериментальных данных по рассеянию Ке-Аи, Ие«В1 найдена поверхностная температура Дебая в нормальной к поверхности направлении, а такие среднеквадратичное смещение атомов Аи и Ш. При этом теоретически оценивалась величина уширения пика, используя соотношение неопределенностей Гейзенберга. Время начала и окончания взаимодействия нами были ограничены уровнем передачи энергии, равной 0,01Е„.

Далее экспериментально установлено, что в диапазоне гипертермальных энергий в энергетическом спектре рассеянных ионов появляется дополнительный пик со стороны энергий, более близких к Е„, чем основной пик ( $ - пик на рис.3 а,б).

Этот пик появляется при малых энергиях и устойчиво существует в спектре до Е0~ 60+70ЭВ и наблюдается только на поли- и монокристаллических поверхностях. На аморфной поверхности или аморфизованной различными воздействиями ( химическое травление , ионное травление, механическая обработка) этот пик отсутствовал. Его интенсивность выше для монокристаллов, чем для поликристаллических образцов. Для полупроводниковых образцов .СвАэ) наблюдалась температурная зависимость интенсивности Ф-пика. Также наблюдалась ориеитационная зависимость интенсивности Ф-пика от угла падения ионного пучка на образец. Высказывается предположение, что наиболее вероятной причиной появления в спектре Ф-пика со стороны энергий, близких к Е„, является отрааение налетающих ионов от плотноупакованных атомных цепочек. Возможность такого процесса подтверждается теоретическим расчетом.

Четвертая глава посвящена исследованию поверхности полупроводников с помощью ряда методов: сначала методом СОРИНЭ было изучено изменение элементного состава поверхности эпитаксиальных слоев полупроводниковых образцов СаАв(ЮО) и СаАз(111)В в ходе термовакуумной (ТВ) обработки и в процессе осаждения активирующего покрытия (Сз,0), а затем дополнительно производились исследования методами ЭОС, ЭЭЭ, САО, ИНС, ТДМС и измерения работы выхода электронов.

Показано, что в ходе ТВ-обработки наблюдаются значительные изменения соотношения атомов Аз и Са в верхнем слое поверхности, связанные со структурными перестройками и диффузионными процессами. Подбирая гемпературно-временноЙ режим обработки образцов, розмойно

получение подломи СаАэ с различным соотношением Аз и иа в верхнее атомном слое поверхности. Обнарукено.что непосредственно перед термическим разложением верхний ("видимый") слой поверхности кристалла баАз обогащается атомами Аб. Данный эффект объясняется поверхностным плавлением в Аз - подрешетке. Параллельно проводимые измерения спектров оне-электронов не фиксировали четких изменений амплитуд пи ков Са и Аз, так-как глубина выхода ове-электронов составляла не ме нее 3*4 монослоев.

Исследования состава внешнего атомного слоя ваАз при термообработке и проводимое затем формирование фотоэмиттера с ОЗС позволили разработать методику изготовления эффективных фотокатодов. Наилучшие результаты получались на СаАз с содержанием Аз в верхнем слое на уровне 60+70%: ийтегральная чувствительность была при этом более 2000 мкА/лм.

Дальнейшие исследования были направлены на выяснение закономерностей адсорбции цезия и кислорода на поверхности СаАз. Было установлено, что интенсивность пиков рассеянных ионов Ие и Не от атомов Са, Аз и Сз в зависимости от времени напыления изменяются нелинейно (рис.4); линейность наблюдается только в начале напыления, Одинаковая скорость уменьшения интенсивности пиков Са я Аз свидетельствует о равномерном распределении Сэ на атомах обоих сортов,

Калибровка источника Сз методом ПЛИ показала (- совместно < данными С0РННЭ),что в процессе заполнения ионослоя цезия козффицш

у/е

В0 - £кз& б-МО0

ЬО л д.<

20 -

О го о б оо юоо 1Чоо

Гро.4.Изменение интенсивности пиков рассеяниях

ионов № при напнленш Сз на СаДз (Ш) ,

адсорбции меняется приблизительно в 3 раза и происходят это быотро-в достаточно узком интервале степени покрытия ( меньше O.iucjx) Далее было показано, что нелинейность зависимости интенсивности рассеянных ионов от степени покрытия цезием связана с изменением вероятности сохранения заряда (Р+) ионов з процессе рассеяния, которое,- в свою очередь,связано с изменением состояния (вероятно.концентрации) валентных электронов на поверхности. На основе данных по СОРИНЭ, а те rase по совместным данным ИНС и 333 и измерениям работы выхода элек тронов гу делается вывод о том,что адсорбирующийся на поверхности SaAs цезий будет находится либо в поляризованном, либо в ионизованном состояниях. Причем Сз в поляризованном состоянии (по данным ЭЭЭ) 5олее химически активен, чем в ионизованной.

Показано, что на поверхности,обогащенной Аз, при адсорбции цезия наблюдается более зысокая локализация электронов в адсорбиро-занной пленке,чем для поверхности, обогащенной Ga.

Исследуя адсорбцию кислорода на поверхности цеэированного GaAs 5ыло установлено,что кислород находится под атомами цезия. При этом вменяется зарядовое состояние атомов цезия. Такае показано, что »темы цезия на поверхности GaAs обладают повышенной способностью к ¡играции по поверхности, причем скорость миграции повышается при тгрэве поверхности. Наибольшей способностью к миграции обладает {езий, находящийся в поляризованном состоянии.

В конце главы приведена методика формирования фотоэмиттера с . ЮС на основе GaA3, разработанная с учетом выявленных закономернос-'ей.

ОСНОВНЫЕ ИГ0П5 РАБОТЫ

1. Для экспериментальных установок разработаны следующие функ-;яональные узлы:

) ионная пушка, позволяющая получать пучок ионов инертных газов с ие^гиями от~2эВ до 5кэВ, диаметром от 1 до 0,1мм, плотность» тока 5' М<ГЛ А/см , угловой расходимостью 7°т1°п энергетическим разбро-ом в пределах 0,2|0,8эВ;

) полусферический 180 -ный дефлектор на поворотной платформе с нергетическим разрешением 0,7%, угловым разрешением 2 и углом перемещения 120°;

) ионная пушка для ионов щелочных металлов П1-ч+), позвопяющая полу

чать пучки диаметром от 0,5 до 1,5мм в диапазоне энергий 1*5 кэВ и током Ю"гА;

г) измеритель энергии, изготовленный на основе теоретически рассчитанного энергоанализатора тормозящего, типа и позволяющий измерять энергию и разброс ионов по энергия» и углу в диапазоне 2*5000эВ с разрешением по энергии 0,03% и по углу порядка 0,1е;

д) система напуска газа высокой чистоты и система откачки,обеспечивающая рабочий вакуум на уровне -10~" Торр.

2. Далее разработана встраиваемая конструкция спектрометра рас сеянных ионов, содержащая цилиндрический зеркальный анализатор с ко аксиально встроенной ионной пушкой и обеспечивающая чувствдтельност на уровне 2-10* имп/с'нА (по Аи) с пределом обнаружения -10 ат/см!

3. С использованием разработанных функциональных узлов и стандартной элементно-конструктивной базы физико-аналитического оборудования собрана комплексная экспериментальная установка для исследования поверхности твердых тел методом СОРИНЭ, но содержащая аппаратуру также для методов САО, ИНС, ТДМС и ЭЭЭ, аппаратуру и приборы для измерения термо-, фото- и вторичной электронных эмиссий, стан- • дартную аппаратуру для ЭОС и газового анализа остаточной атмосферы.

4. В энергетическом спектре рассеянных ионов гипертермальных энергий для неаморфных поверхностей (81(111), СаАз(ЮО), 1пАэ(100), Аи, Аз, ВО обнаружен ранее неизвестный пик (Ф-Пик) с энергией, более близкой к энергии первичного пучка, чем основной пик. Интенсивность Ф-пика уменьшается с увеличением температуры поверхности; она чувствительна к углу падения первичного ионного пучка,увеличивается с упорядочением структуры поверхности, исчезая при амортизации поверхности ионным пучком.

5. Экспериментально установлено, что на поверхностях Аз, Аи, В1, РЬ для ионов благородных газов минимальная энергия зондирующих ионов, рассеиваемых в результате парного соударения, ограничивается притягивающим потенциалом поверхности.

8. Из спектров рассеянных ионов гипертермалышх энергий экспериментально установлена в случае поликристаллнческях образцов Аи и В1 поверхностная температура Дебая и среднее смещение атомов в но мальном направлении к поверхности.

7. Экспериментально установлено, что максимальный ионный еьсод при рассеянии ионов Ме от поверхности твердых тел Аэ, Са, Со, Аи, Е наблюдается при первичной энергии*20эВ и обусловлен энергетическим! рависимостями сечения рассеяния и вероятности нейтрализации'.:.

- iß -

S, Методами СОР1ШЭ и 353 установлено, что при формировании ко-юслойного покрытия Сз на поверхности полупроводников к- , si 1роисходит изменение зарядового состояния цезия от ионного к диполь-rcjiy, Начало перехода Сз о дипольное состояние для полупроводников I-' и Si соответствует величине 0,2г0,6мсл и для A'3 Bv зависит it соотношения элементов III и V групп на. поверхности. При обогатили поверхности элементом V группы переход смещается в сторону геньиих значений степени покрытия; при обогащении элементом III •руппы - в сторону больше значений.

9. Установлено,что процесс перехода адатомов цезия от ионного юстоянля к дипольному сопровождается уменьшением коэффициента прилипания цезия. Для цезия, адсорбированного на полупроводниках (а слу-;ае GaAs), примерно в 3 раза, для тугоплавких металлов примерно в 7

33.

10. Установлено, что при термообработке на пороге термического азлозення в узком температурном интервале поверхность GaAs обобщатся мызъяком, что объясняется эффектом поверхностного плавления в з-подрепетке.

11. Установлено наличие низкотемпературной диффузии мыаьяка из бьема к поверхности в случаях, когда наблодается нарушение ее ciexsso-етричности в сторону обогащения вакансиями мышьяка.

12. Установлено по данным СОРННЭ, что максимальная чувствитель-ость фотоэмиттера достигается на поверхности, обогащенной в резуль-ате термического нагрева мыаьяком, при соотношении концентраций

13. Установлено, что одной из основных причин деградации фото-«иттеров с ОЗС является не испарение Cs, а его поверхностная мигра-1!Я, которая зависит от зарядового состояния адатомов Cs и увеличива-гся как с ростом температуры,так и при воздействии активных газов.

14. Установлено, что_иапуск инертной атмосферы в рабочую каме-f до давления около- 4-10 Topp позволяет увеличить время дизни зтоэмиттера в 5=7 раз.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: . Аристархоса A.A., Волков С.С., Тимагаев М.Ю. Исследование адсорб-цезия на поверхности тугоплавких металлов и GaAs // Tea. докл. i VI Есесоэзксм симпозиуме "Вторично-электронная, фотоэлектронная ,'иссш! и спектроскопия поверхности." - Рязань, 1086. - С.129-130.

2. Волков С.С., Аристархова A.A., Тимашев И.О., Вульгина Р.И., Яценко Л.Е., Цыганов В.П. Исследование процессов в тонких приповерхностных слоях полупроводниковых материалов // Тез. докл. на VI Всесоюзном симпозиуме "Вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссии и спектроскопия поверхности." - Рязань, 1886. - СЛ50-151. 8. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев M.D., Цыгацов В.П. Исследование механизма изменения фотоэмиссии при адсорбции цезия // Тез; докл. на XX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. -Киев, 1987. - С.55.

4. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев M.D. Определение вероятности вылета электрона и сечения поверхноствой реакции при хемо-эмиссии // Тез. докл. на XX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. - Киев, 1987. - С.237.

5. Аристархова A.A., Волков С,С.,Тимашев M.D. Изменение состава поверхности эпитаксиальной пленки тройного состава при термовакуумиой обработке // Тез. докл. на V Всесоюзной конференции "Тройные полупроводники и их применение." - Кишинев, 1987. - Т.2. - С.87.

6. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев M.D., Исаева Т.Н. Уста-' новка для исследования поверхности и эмиссионных свойств пленочных эмиттеров // Электронная промышленность. - 1987, - N5(163). - С.47.

7. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев M.Ö., Цыганов В.П. Иссле-. дование адсорбция субмонослойных пленок цезия на поверхности полупроводника методом ионного рассеяния //Электронная прошшлешюсть,

- 1988. - H7Ü75). - C.3I-33.

8. Аристархова A.A., Тимашев M.D. Особенности рассеяния низкоэнергетических ионов Не и Na от субмонослойных пленок Cs // Тез. докл. на Всесоюзном совещании-семинаре "Диагностика поверхности иокншш ■ пучками". - Донецк, 1988. - С.114.

9. Тшдашев И.О. Спектрометр рассеянных ионов // Тез.докл. на Всесоюзном совещании-семинаре "Диагностика поверхности -ионными пучками",

- Донецк, 1988. - С.171.

10. Аристархова A.A., Бирхшш З.Ф., Волков С.С., Новиков C.B., Тима-

шев И.С. Особенности поверхности арсенида галлия, выращенного из вис- ■ ыутового раствора-расплава // Письма в Ш. - 1888. - Т.14, вып.19. -С.1794-1799.

11. Аристархова A.A., Волков С,С., Тимашев М.Ю., Трухин В.В. Применение ионного рассеяния для определения скорости напыления ыоиослойных и субмонослойных пленок // В кн: "Вакуумная и газоразрядная электроника". - Рязань, РРТИ, 1989. - С.88-95.

12. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев M.D. Особенности рассеяния ионов Ne поверхностью твердых тел в диапазоне 3-100эВ Ц Тез. докл. на IX Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердь»/! телом". - Москва, 1989. - С.29-30.

13. Аристархова А.А.,Бирюлин Ю.#..Волков С.С., Каряев В.Н., Новиков C.B., Тимашев M.D. Особенности поверхности некоторых соединений

А В легированных нзовалентными примесями // Тез. докл. на II Всесоюзной конференции "Ловерхность-89". - Черноголовка, 1989. -C.Í68.

14. Аристархова A.A., Волков С.С., Бирюлин Ю.Ф., Каряев В.Н., Тима-шев M.D. Поверхность арсенида галлия, легированного изовалентной прзшесью - сурьмой // Письма в НТФ. -1990. -Т.16, вып.2. - С.43-47.

15. Тимашев M.D. Применение встраиваемого модуля ионной спектроскопии для анализа поверхности твердых тел // Тез. докл.- на Всесоюзном совещании - семинаре "Диагностика поверхности ионными пучками". -Одесса, 1930. - С.108-109.

16. Аристархова A.A., Волков С.С,, Гутенко В.Т., Дмитревский D.E., Тимашев M.D., Трухин В.В. Диагностические возможности метода спектроскопии обратно рассеянных ионов низких энкргпй // Тез. докл. на Всесоюзном совещании - семинаре "Диагностика поверхности ионными пучками". - Одесса, 1990. - С.235-236.

17. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев M.D., Шуппе Г.Н..Адсорбция цезия на поверхности вольфрама // Поверхность - 1S90. -117. -С.63-69.

18. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев Ü.D. Встраиваемый спектрометр обратно рассеянных ионоз низких энергий // Электронная промышленность - 1990. - 1110. - С.49-51.

19. Аристархова A.A., Волков С.С., Тимашев М.Ю., Цыганов В.П., Шуппе Г.Н. Исследование процесса формирования эмиттеров с ОЭС методами ион ной и электронной спектроскопии // Тез. докл. на XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. - Ленинград.1991. -С.60,

20. Аристархова Л.Д., Епрюлин D.S., Каряев В.Н., Климзш А.Н., Палы Т.Н., Писаревская В.А., Тзшашев 11,0., Оульбах В. А. Эмиссионные осс бенности системы GaAsSb как материала для ОХ - эмиттеров // Тез. докл. на XXI Всесоюзной конференции по (эмиссионной электронике. -Ленинград.1991. - С.69.

21. Аристархова A.A., Волков С.С., Тиишгев U.D., Шуппе Г.Н. Рас« ние ионов гипертермальных энергий поверхностью твердого тола // Пис ма в ВТФ. - 1991. - Т.17.вып.4 - C.6S-74.