Механизмы образования вторичных ионов кремния и меди при облучении ионами инертных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Матулевич, Юрий Тадеушевич

• Матулевич, Юрий Тадеушевич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Матулевич, Юрий Тадеушевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Механизмы образования вторичных ионов кремния и меди при облучении ионами инертных газов»

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.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Матулевич, Юрий Тадеушевич

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.