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 кремнияпи 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 (пи 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 °C 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.
