Резонансная перезарядка и модификация свойств поверхности диэлектриков и молекул при ионном облучении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ИОСКОВСШ ОРДЕНА ЛЕША, ОРДОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ РШЛВДШ 'А ОРДШ ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ шзня М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Ка правах рукописи

КОСТИМО Борис Михайлович

УДК 539.211 537.534.9

РЕЗОНАНСНАЯ ПЕРЕЗАРЯДКА И МОДГОИШКЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ И МОЛЕКУЛ ПРИ ИОННОМ ОЁЛУЧЕШИ

Специальность 01.04.04 - -физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой сгепени

кандидата $излко-катематическнх наук

Москва - 1992

Работа выполнена ва кафедре физической электроники физического факультета ЙГУ,имени М.В. Ломоносова

НаучнгА руководитель: доктор физико-математических наук

И.Б. Гусева

Официальные оппонента:

Ведущая организация:

доктор Зизгео-мзтематаческкх наук Б.Л. Оксенгендлер, кандидат физико-математических наук P.P. Убайдуллаев.

Институт физики полупроводников СО АЛ РХ>

Защита диссертации состоится » 992 года

угзс>

в ~ часов на заседании Специализированного совета К.053.05.22 ОГО в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан " 1992 v.

Ученый секретарь

специализированного совета

К.053.05.22 в МГУ вы. И.В.Ломоносова, кандидат $шз.-мат. наук, старший преподаватель

Гадузо C.D.

*; 'Г

- з -

I

Диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тепы.

Ионные потоки и эффекты их взаимодействия с поверхностью широко используются в различных областях нвуки и техники с целью модификации свойств поверхности (ионное травление, ионное легирование ) и анализа атомной и электронной структуры (обратное резер-фордовское рассеяние, ионная Ота-спвктроскопия и др.). Новый аспект использования ионов, интенсивно разрабатываемый в последнее время,- ионная стимуляция процессов на поверхности, в честности, роста пленок с целью управления их структурой и свойствами.

До недавнего времени в этих применениях ориентировались на упругое взаимодействие ионов с поверхностью. В последнее время было показано, что существенно более результативными (во многих случаях более. чем на порядок) в этом отношении могут бить эффекты неупругого взаимодействия, которые реализуются при определенном подборе пар ион-поверхность и интервалов изменения параметров ионного облучения. Поэтому исследование закономерностей резонансной перезарядки попов на поверхности, выявление особенностей и механизма обусловленных ею явлений - дефектообразования, иогаюй стимуляции роста пленок - являются весьма актуальными, равно как и развитие метода диагностики сугубо поверхностных дефектов, играющих важную роль в процессах ионной стимуляции.

Органические молекулы, в частности молекулы кидких кристаллов, является объектами непосредственного интереса нового направления в микроэлектронике - молекулярной электроники.

Основной целью данной работы является

1) теоретическое рассмотрение

резонансной перезарядки ионов на поверхности иояно-ковалантных кристаллов и молекулярных объектах,

- сопровождзгашх этот процесс явлений дефектообразования на поверхности и деструкции молекул;

2) объяснение закономерностей ионно-стимулированного роста тонких

планок на поверхности диэлектриков;

3) разработка, основ диагностики дефектной структура поверхности по энергетическим спектрам рассеянных ионов (Е<1000 эВ). В сочетании с методами ионной стимуляции различии процессов на поверхности такой метод контроля поверхности явился бы важным звеном с точки прения интеграция технологии.

Научная новизна и практическая ценность работы.

В работе впервые дано объяснение закономерностям ионно-сти-цулироваяноЯ конденсации и эпатаксни, яроявляицимся в специ&яас-ких немонотонных зависимостях эффекта ионной стимуляции от параметров ионного облучения, что должно быть положено в основу конных и ионно-пдазменшх методов получения тонких пленок с заданными свойствам.

Впервые предложена модель деструкции многоатомных органических колэкул, происходящей в результате перезарядки ионов на молекулах.

Впервые дано объяснение' существенно разлачащимся закономерностям ионно-стимулированной десорбции с поверхности ионво-ковалентных кристаллов А1203 и

Разработаны физические основа метода диагностики существенно поверхностных дефектов, основанного на анализе энергетических спектров рассеянных ионов.

Публикации и апробация работы. Результаты работа над диссертацией отражены -в пята публикациях, докладывались и обсуждалась на:

1. Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц и электромагнитного излучения с твердым телом" (г. Ташкент 1989 г) '2. IX Всесоюеной- конференция "Взаимодействие атоьашх частиц с твердым телом" (г. Уосква, 1991 г.)

3. Первой республиканской конференции шлоднх учених в студентов ¡г. Алма-Ата, 1991 г.)

• 4 X Всесоюзной конференции "Взаимодействие иовов с поверхностью" ( г. Звенигород, 1591 г)

5. XVI семинаре "Радиационная $изкка полупроводников" (г. Новосибирск, 1992 г.)

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование выбора теш диссертационной работа, ее актуальности. Определяется роль упругого взашо-действия и резонансной ' перезаряда в диагностике структуры поверхности твердого тела, ее модификации и стимуляции процессов роста плевок на облучаемой ионами поверхности. Отмечавтел важность изучения механизма ионной стимуляции полимеризации молекул гадких кристаллов (КК) - объекта молекулярной электроники. Приведено краткое.содержание работы по главам.

Первая глава посвящена обзору работ по резонансной перезарядке, начиная с рассмотрения атом-атошшх столкновений в рамках теории Ландау-Зенера (1932 г.), . взаимодействий ион-новерхяоеть (теория Талли) и завершая современники - ТБАи, теория молекулярных орбиталей и многоэлектронная теория перезарядки, оспосашши на использовании гамильтониана Андерсона-Нызенса.

Здесь также анализируется результата работы по резонансной перезарядке ионов на молекулах и сопровождающая этот процесс деструкция молекулы.

Во второй главе изучается перезаряда ионов ■ Аг на поверхности нонно-ковалэнтннх кристаллов А^Од и Мдр а ее вклад в механизм дефектообразовашш в этих кристаллах. На рисунке 1 показано, как изменяется соотношение атомов металла и кислорода на поверхности при облучении ее иояаш аргона различных анергий.

Проведено моделирование упругого рассеяния ионов Аг с энергиями Е < 1.5 кэВ на первом атомном слое кристалла АЗ^О^. Расчпт показал, что пр? углах падения ф < 30° относительно нормали к по- ■

верхности не происходит обратного рассеяния ионов. Кроме того, й актах упругого взаимодействия с атомами шверхности ионы аргона теряют большую часть начальной кинетической энергии (коэффициент перадачи энергии Е/Е0> 0.S0).

. Проведен расчет резонансной перезаряда мевду Зр-уровнеи Аг & 2р зоной кислорода поверхности А120д. В кюдели учитывается упругое взаилодействие между налетающим ионом и атомом отдачи. Большая разница в массах MAr>MA1>M0 приводит к малому времени перезврадкй и ограничивает минимальное межатомное расстояние' мевду взаиш-действупдаи часищаыи (Rroin> 1 А). Это, в, свою очередь, обуславливает слабую зависимость вероятности перезарядки Pit) от прицельного параметра и осцилляции в интегральной зависимости Р(Е).

На основе теоретического анализа и машинного расчета получена интегральная вероятность перезарядки нона Аг на поверхности А1203 ■ (рлсунок 1), которая хорошо согласуется с эксперимен-талыгаш данными но дефектообразовани» на облученной ионаш поверхности этого кристалла.

Анализ различай релаксационных процессов в А1203 и MgO показал, что из-за наличия в А12С>з стехзгодатрических вакансий, (концентрация и расположение этих вакансий зависят только от выполнения валентных соотношааий типа кристаллической структуры й не зависят от температуры или предыстории образца) дефектообразо-вание в этом кристалле монет происходить только за счет перезарядившихся ионов кислорода. Б отлачие от А12Од, в MgO зарядовоз состояние смещенных атомов не играет роли, т.к. реализуются каскада замещений вдоль фокусируицнх направлений, и дефектообразовашю происходит в основном засчет упругого • взаимодействия.

В третьей главе рассма"риваются закономерности ионностиму-' язрованного роста тонких пленок на шверхности ионных кристаллов в условиях резонансной перезаряда конов, облучащих пленку в процессе конденсации, с поверхностью подушки. Предложена модель ззродышеобразования, объясняющая основные особенности эксдериыен-• тальннх закономерностей - осцвллирущую зависимость скорости роста пленки и эффекта ионно-сишулированной эпитакоиа от пара-

энергия (кэВ)

Рис. 1 Дефектообразовакие на поверхности А1203 и М§0 ггри облучении ионами Аг.

Г0ДМе - нвтенсивносгн Ои-лшй кислорода и металла Е- энергия ионов

5 /

N ез С----

\ 6 \

14

\8 12/ \'5

\ 10 / Ч

/ \ / "

/9 13\ /16

ТГ ТГ

10

19

-О---сн2----СН£—сн3

4

2

3

У

Рис. 2 Схематическое изогразгегаге молекулы пропилоксициано-бяфзнила.

метров ионного облучения (Е, Л)

Модель основана на следуидих представлениях:

1. Дырка в валентной зоне, образующаяся ва поверхности, равно как и точечный дефект является центрами образования зародышей. В условиях резонансной перезаряда концентрация центров конденсации зависит от сечения резонансной перезаряда.

2. Точечные дефекты на поверхности является центрами, адсорбирупцими фонолы, также генерируемые ионами.

Таким образом, радиационная тряска снижает эффективность центров конденсации, и ее роль возрастает 'С увеличением плотности тока ионов.

3. Энергия адсорбции точечных дефектов - центров конденсации -зависит от типа дефекте и возрастает для комплексов точечных дефектов (Р, М, И - центры) с их размерами.

В условиях резонансной перезарядки концентрация центров конденсации на поверхности ионных кристаллов коррелирует с сечением резонансной перезарядки о. Немонотонная зависимость сечений резонансной перезарядки вонов на поверхности а(Е) лешт в основе наблюдаемых особенностей экспериментальных закономерностей.

В четвертой главе диссертации изучается деструкция молекул Ж в результате цеупругого взаимодействия ' с ионами (резонансной перезарядки). '

Моделирование резонансной перезарядки требует знания электронной структуры взаимодействующее объектов. Для решет ¡я этой задачи был разработан пакет программ, которые позволяю при помощи полуэмпирических методов С!ШО/2 п СЩ)0/3 рассчитывать молекулы ( определять электронную структуру, распределение зарядов, диполыше моменты атешв н т.д.). Описание расчетных катодов и пакета программ приведено в первой части главы.

Для объяснения фрагментации иолэкул впервые предложена модель, учитывающая изменение энерпш скелетных езязей молекулы, за счет перераспределения зарядов на составлящих ее атомах, происходящего в результате перезарядки.

Проведена апробация предложенной «одеж на молекулах Ж -

протшжсицианобифенила, относящихся к классу молекул, широко использует в молекулярной электронике. На рисунке 2 схематически изображена молекула с нумерацией скелетных связей, деструкция которых исследуется.

Получены полше сечения о деструкции связей молекулы в результате перезарядки с ионами Н и Аг для различных начальных условий (изменялась энергия ионов и конфигурация системы ион-молекула, которая характеризуется их взаимным расположением и направлением движения иона). В таблице 1 приведены отношения сечений oR (к-номер связи) к сечению связи, вероятность разрыва которой оказывается наибольшей ври данных начальных, условиях. Анализ полученных результатов показывает, что при облучении нонами Н в молекуле пропилоксицианобмфенила наиболее слабой оказывается связь между бензольными кольцами, а при облучении гонами аргона - связь кислород углерод бензольного кольца и С-С связь в алкильной группе.

На основе проведенного моделирования сделана выводы об особенностях процесса фр8гментизации молекула в результате ионного облучения:

а) канал деструкции молекулы определяется исключительно полоконе ем вакантного уровня иона, на который происходит туннелнрова-1ше электрона с молекулярных уровней;

б) канал деструкции молекулы практически не зависит or энергии иона и от конфигурации взаимодействия иона с молекулой;

в) преимуществекность разрыва резонансной связи возрастает при уменьшении энергии аона.

Пятая глава посвящена изучению особенностей рассеяния ионов на дефектах поверхности твердого тела и изменению вследствие этого энергетических спектров.рассеянных частиц. Цэльа этих исследований является применение медленных (Е<1 кэВ) конов для диагностики дефектной структуры поверхности.

Проведено моделирование рвссеяная ионов N на поверхвоста ионного кристалла IJaCl. Для различии областей энергия облу-чащих иовов подобрана потенциал« кезакадюго взакнодаЗстгаш,' удовлетаориедаю онасшадае експврим>атальте результата

Т8блица 1. Полине сечения вероятности деструкции связей в молекуйе пропилоксйцианобнфешш.

номер связи I кзВ/У2 Н+ 1 кэВ/1/у 50 эВ/У^ Аг+ 40 кэВ/!^

1 -0.27 -0.003 -0.001 0.82

2 0.13 0.09 0.21 0.17

3 0.27 0.23 0.10 0.49

4 0.05 0.12 0.11 0.46

5 0.45 0.40 ; 0.16 0.37

6 0.43 0.40 4 0.19 0.37

7 0.51 0.30 0.17 0.27

8 0.29 0.23 0.21 0.19

9 0.23 0.22 0.13 0.21

10 1.00 1.00 1.00 . 0.18

11 0.40 0.30 0.17 0.26

12 0.13 0.08 0.10 0.35

13 0.15 0.13 0.09 0.17

14 0.45 0.34 0.17 0.40

(5 0.39 0.28 0.15 0.24

16 0.50 0.35 0.21 0.12

17 0.44 0.34 0.11 0.44

18 0.23 0.30 -0.09 1.00

19 -0.17 -0.^19 -0.06 -0.09

рассеяния ионов низких энергий на поверхности ЯаС1.

Исследованы особенности рассеяния ионов N на различных дефектах поверхности №С1. Получены эталонные энергетические спектры (рисунки 3 и 4) для рассеяния N на:

а) идеальной поверхности кристалла;

б) нейтрализованном атоме хлора С1°;

в) анионной вакансии;

г) Г-центро;

д) катношюй вакансии;

е) давакансии

для различных углов падения <р.

Кроме этого, предложена и апробирована модель построения энергетических снектрод отражения ионов от комплексов точечных дефектов (М, Л и т.д.). Спектры комплексов моделируются на основе эталонных энергетических спектров для всех дефектов,■ входящих в состав данного комплекса.

' Как видно из рисунков 3 и 4, энергетические спектр значительно различаются по амплитудам и положениям пиков, что позволяет использовать юс для решения обратной задачи, т.е. определения типа и концентрации дефектов поверхности.

Апробация данного метода проводилась на ионных кристаллах о заданным типом точечных дефектов на поверхности независимо контролируемым методом ЭСХП. Получено количественное совпадении с точностью А%.

Основные результаты работы:

1. Исследована закономерности резонансной перезарядки ионов Аг+ на ■ когога-ковалвнтных кристаллах Л1203 и МцО, широко используемых в технологии. Предложена модель перезаряда, учитнввщая кинетику атома поверхности твердого тела. Дано объяснение резонансной перезаряда, проя&лящейся . в ограниченном интервала энергий первэт-1шх ионов.

2. Объяснены особенности дефктообразования под действием иояов в ионно-ковалентных кристаллах. Показано, что вклад в дефвкто-обрззование упругих и неупругих механизмов взаимодействия ионов с ионно-ковэлептными кристаллами определяется релаксационными процессами, а именно, размерами зоны неустойчивости сшзенннх атошв'

Рис 3

N+—> NaCl о

N/N

e)

го t

0.25

0.5 E/E

я ионов и величием в кристалле фокусирунцюс направлений.

3. Предложена модель ионно-стимулированного роста пленок в эпи-таксии на поверхности ионных кристаллов, дапцая объяснение основным закономерностям ионно-ствдулированной конденсации г зпитексии в зависимости от плотности ионного тока. Модель исходит из определявшей роли резонансной перезарядки в образовании центров эароадения и эштаксиального роста и радиационной тряски поверхности в определении эффективности этих центров. . Показана рль однотипных точечных дефектов как центров эпитаксиального зарождения.

4. Разработан пакет программ, позволяющих рассчитывать электронную структуру молекул при помощи полуэмпирических методов CND0/2 и CNDO/S. Рассчитала электронная структура молекул жидких кристаллов - пропилоксицианобифенила и пропилоксиазоцианобифени-ла.

5 Впервые предложена теоретическая модель, описывающая взаимодействие ионов {кг* , Н+) с многоатомными органическими молекулами. Модель базируется на рассмотрении взаимодействия ион-молекула методом траекторий и решении уравнений перезарядки. При этом в рассмотрение включаются все молекулярные орбитали молекулы. Численное моделирование движения иона позволяет определять как распределение заряда в молекуле, так и сечения разрыва отдельных связей,

Показана возможность прогнозирования неупругого канала полимеризации под действием ионного облучения.

6. Проведены модельные расчеты рассеяния ионов N* на поверхности ионного кристалла NaCl, содержащей различные типы дефектов. Показана возмокность решения обратной задачи - качественной в количественной диагностики дефектной структуры поверхности по энергетическим спектрам рассвянкных ионов.

Основные результата диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бабаев В.Г., Убэйдудлаев P.P., Костшко Б.М., Гусева И.Б.

Резонансная перезарядка и рассеяние ионов на поверхности иошшх кристаллов // Тез. докл. Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц и электромагнитного излучения с твердым телом", Ташкент 1989 г. стр. 9.

2. Гусева М.Б., Косташко Б.М. Особенности ионностшулированвой конденсация на поверхности твердого " тела" // Тез. докл. И Всесошной конференции "Взаимодействие атоданх частиц с твердим телом" 1969 г. Москва, т.2 стр.133.

3. Гусева М.Б., Бабаев В.Г., Косташко Б.М., Страбков Ы.С., Ан С.3. "Рассеяние ионов на зарядах поверхности"// Тез. докл. Первой республиканской конференции молода ученых а студентов, Алма-Ата, 1991 г.

4. Гусева И.Б., Хвостов В.В., Косташко Б.М., Коваленко С.Ю. Взаимодействие ювов Аг низких энергий с поверхностью А1г°з и 1%0 П Тез. докл. X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхность»" 1991 г. Звенигород, т.З стр. 48-49.

5. Гусева М.Б., Бабаев В.Г., Косташко Б.Ы., Ая С.З., Стребков М.С. Рассеяние ионов на дефектах поверхности // Тез. докл. X Всесоюзной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" 1991 г. Звенигород, т.1 стр. 50-52.

РЕЗОНАНСНАЯ ПЕРЕЗАРЯДКА И МОДИИКДЦШ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ДЮЛЖТРИЮВ И МОЛЕКУЛ ПРИ НОННСМ ОБЛУЧЕНИИ

Подписано к печати 14*06.92 Формат 60x50 1Дб п.л.1,0

Уч,изд,л,О.А Тирад 100 Заказ 25в_

Ротапринт МАСИ /ВТУЗ-ЗГО1/,109280,Мо«гва, Автозаводскач Д5

КОСТИИКО БОРИС МИХАЙЛОВИЧ: