Влияние спектрального состава света и фазового состава полупроводниковой мишени на вторично-ионный фотоэффект тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Матасов, Максим Дмитриевич

• Матасов, Максим Дмитриевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Матасов, Максим Дмитриевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. Некоторые закономерности ионной масс-спектрометрии и вторично-ионного фотоэффекта. Аналитический обзор

1.1. Процессы масс-спектрометрии и некоторые типы масс-спектрометров

1.2. Особенности распыления сложных многофазных систем. Предмет экспериментальных исследований

1.3. Взаимодействие излучения, в частности ускоренных ионов с веществом

1.4. Вторично-ионный фотоэффект. Классификация, определение и механизмы

1.5. Фотопроводимость полупроводниковой мишени

1.6. Оптические и люминесцентные свойства полупроводниковых мишеней

1.7. Облучение твёрдых тел электронами. Оже- эффект

Выводы из аналитического обзора

2. Исследование спектральной зависимости вторично-ионного фотоэффекта на пленках С(18-РЬ5

2.1 Объекты исследований

2.1.1 Образцы твёрдых ограниченных растворов. Метод и особенности получения

2.1.2. Особенности строения. Расчёт мольных долей по массовым долям основных фаз (СЙ5,РЙ5)

2.1.3. Состав поверхности. Исследование методами Оже-спектрометрии

2.1.4. Морфология поверхности плёнок твёрдых ограниченных растворов

2.1.5. Феноменологическое описание баланса заряда при бомбардировке и распылении. Выражение для скорости травления

2.2. Изучение спектральной характеристики ВИФЭ для ионов кадмия Сс11

2.2.2. Исследование изменения выхода отрицательных вторичных ионов кислорода

2.3. Изучение спектральной характеристики ВИФЭ для ионов свинца РЬГ

2.4. Сравнение изменения выхода вторичных ионов при распылении мишени ионами кислорода и ионами аргона

2.5. Теоретическое описание спектральной характеристики вторично- ионного фотоэффекта

2.6. Математическое описание аномального эффекта

2.7. Наблюдение и закономерности ВИФЭ на других веществах и структурах. ВИФЭ в структуре 570 на СаЛ5

Выводы к второй главе:

3. Оптические и фотоэлектрические свойства плёнок Сс18(х)-РЬ8(1-х)

3.1. Экспериментальное определение спектральной кривой коэффициента пропускания и отражения образцов твёрдых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия

3.2. Расчёт коэффициентов поглощения и рассеяния твёрдых ограниченных растворов сульфида

свинца и кадмия при помощи программы AID 3.3.6

3.3. Люминесценция плёнок твёрдых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия

3.4. Схема подробного расчёта люминесценции образцов твёрдых ограниченных растворов с учётом распределения фаз, входящих в состав образца

3.5. Фотоэлектрические исследования твёрдых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия

3.6. Исследования оптических свойств плёнок твёрдых ограниченных растворов в ИК диапазоне

3.7. Спектры фотолюминесценции SiO-GaAs

3.8. Катодолюминесценция на SiO/GaAs

Выводы к третьей главе:

4. Некоторые закономерности аномального ВИФЭ. Математическое описание

4.1. Описание переноса энергии из широкозонной фазы в узкозонную за счёт термолизации неравновесных инжектированных носителей

4.2. Расчёт интенсивности люминесценции, возникающей за счёт накачки узкозонной фазы

Выводы к четвёртой главе:

Заключение:

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние спектрального состава света и фазового состава полупроводниковой мишени на вторично-ионный фотоэффект»

ВВЕДЕНИЕ

Среди методов определения химического состава вещества растущее значение приобретает метод вторично-ионной масс-спектрометрии. Метод вторично-ионной масс- спектрометрии известен тем, что он позволяет оценить химический состав, непосредственно анализируя атомный состав материала, во время его ионного распыления. Метод вторично-ионной масс-спектрометрии насчитывает 101 год со дня первого упоминания о нём.

Если первые эксперименты по получению масс- спектров были выполнены в начале 20-го века, то систематические исследования методом вторично-ионной масс - спектрометрии началось несколько позже. Первым научным исследованием считается работа Герцога и Фибека [1], в которой говорится о возможности создания ионного источника для масс-спектрометра на основе распыления мишени ионным пучком. Серьёзной основополагающей работой является работа Векслера [2], в который он первым изложил и систематизировал накопленные к тому моменту знания.

Вторично-ионная эмиссия плохо описывается аналитически с использованием только физических законов и аналитического математического аппарата. Иными словами на данный момент времени не удавалось создать стройную теорию распыления твёрдых тел. Одной из причин, по которой это не удавалось сделать, является вероятностно-статистический характер проникновения ускоренных ионов в вещество. При описании кинетического распыления необходимо применять метод Монте-Карло, численное моделирование, которое не подразумевает аналитической связи параметров первичного ионного пучка и количества выбитых вторичных ионов [3]. Существует множество очень узко применимых подгоночных формул, которые связывают параметры вторичного и первичного пучка в ряде случаев.

Метод вторичной ионной масс- спектрометрии применяется не только как методика определения химического состава, хотя это его применение есть его ключевое назначение, но и как инструмент определения профилей элементов в объёме и их поверхностного распределения. ВИМС позволяет определить не только химический, но и изотопный состав, исследуемого образца [4]. Отсюда широкое применение масс- спектрометрии в ядерной физике. Высокомолекулярные соединения также доступны для вгорично-иопного анализа, если использовать время - пролётные детекторы. От основного назначения, как способа определения состава (ионный микрозонд-ИМЗ), вторично-ионная масс- спектрометрия эволюционировала до создания ионных масс- спектральных микроскопов (ИМСМ), предназначенных для получения топологии поверхности в определённом сорте ионов, а также масс- спектрометров для анализа поверхности [5].

За последнее время наиболее близкими к теме исследования является изучение влияния интенсивности оптического излучения неизменного спектрального состава [6]., и работа шведских физиков [7] по созданию метода отделения однозарядного изотопа серы от равного ему по массе

изотопа хлора. A.A. Сердобинцев в своей работе получил полуэмпирическое выражение, связывающее относительный рост вторичных ионов, распылённых из мишени, с изменением работы выхода электронов из этой мишени, но не проводил ни экспериментальных, ни теоретических изучений влияния различного спектрального состава излучения на эмиссию ионов. Шведские коллеги добились сильного уменьшения выхода ионов серы и роста выхода ионов хлора за счёт интенсивной подсветки мишени лазером, но они также не исследовали влияние длин волн лазерного излучения, па изменение интенсивности токов распыляемых вторичных ионов.

Цель диссертационной работы — Экспериментальное и теоретическое изучение влияния спектрального состава дополнительного освещения и фазового состава распыляемого вещества на выход вторичных ионов из полупроводниковых поликристаллических мишеней, а также изучение корреляции этих процессов с фотопроводимостью и люминесценцией.

Задачи исследования:

1. Предварительная классификация исследуемых объектов по электрическим и оптическим свойствам. Изучение морфологии поверхности и элементного состава распыляемых мишеней. Математическое описание баланса заряда при бомбардировке и распылении.

2. Экспериментальное и теоретическое исследование спектральной характеристики вторично-ионного фотоэффекта для образцов твердых ограниченных растворов сульфида свинца и кадмия. Определение взаимосвязи между характером изменения выхода вторичных ионов и спектральным составом облучающего образец света Изучение реакции выхода отрицательных ионов кислорода па освещение. Сравнение проявлений вторично-ионного фотоэффекта для случаев распыления ионами кислорода и ионами аргона. Теоретическое описание спектральной характеристики вторично-ионного фотоэффекта. Прогнозирование по полученной функциональной зависимости выхода вторичных ионов при освещении распыляемой мишени сложного фазового состава светом со сложным спектральным составом.

3. Изучение оптических, фотоэлектрических и люминесцентных свойств образцов твердых ограниченных растворов. Описание взаимосвязи между электронными процессами, участвующими во взаимодействии фотонов света с веществом, и процессами, приводящими к ионному распылению. Теоретический расчет влияния фазового состава образца на полный спектр его фотолюминесценции. Установление корреляции между оптическими и фотоэлектрическими свойствами образца, с одной стороны, и изменением выхода вторичных ионов элементов, входящих в его состав, при освещении образца во время его распыления, с другой стороны.

4. Разработка модели, для численной оценки аномального ВИФЭ, описывающей транспорт энергии из широкозонной матрицы в узкозонпую

фазу гетерофазной полупроводниковой мишени. Теоретическое описание накачки узкозонных включений, входящих в состав образца, при поглощении фотонов основным объемом образца коротковолновых фотонов. Объяснение корреляции между длинноволновой люминесценцией и процессом накачки при освещении широкозонной фазы. Установление связи коэффициента распыления вещества и интенсивности люминесценции, соответствующей узкозонной фазе материала.

Научная новизна

1. Построена модель процесса образования вторичных ионов, включающая механизм взаимодействия света с полупроводниковой мшиеныо, позволяющая объяснить смену знака вторично-ионного фотоэффекта.

2. Установлено, что ВИФЭ наблюдается в широком классе материалов и структур, отличающихся наличием в их составе нескольких фаз с различной шириной запрещенной зоны и фотопроводимостью. Исследован ВИФЭ на моиокристаллических образцах бинарных соединений элементов III и V групп в многослойной структуре и аморфном монооксиде кремния. Проведено исследование выхода отрицательных ионов, соответствующих атомам состава из многокомпонентного материала.

3. Разработан алгоритм вычисления спектра люминесценции образцов твердых ограниченных растворов, отличающийся выполнением действий по учету наличия распределения фаз, и сделан аналитический вывод соответствующего выражения с учетом распределения фаз и агрегатных состояний с разной шириной запрещенной зоны.

4. Предложена методика для расчета скорости ионного травления образца, основанная на феноменологическом рассмотрении баланса носителей заряда, позволяющая прогнозировать глубину травления в зависимости от яркости источника первичных ионов.

5. Построена математическая модель, описывающая фотопроводимость сильно рассеивающих свет образцов, включающая математическое описание взаимодействия оптического излучения с квазисвободными носителями заряда, связывающая оптические параметры образца со спектром фотогока. Дано объяснение спектра фототока, возникающего при облучении светом разных длин волн включенного в цепь фотосоиротивлеиия па основе твердого ограниченного раствора CdS-PbS.

6. Предложен подход к описанию и диагностике процессов переноса неравновесных инжектированных носителей заряда между фазами, основанный на анализе интенсивности люминесценции, возникающей за счет рекомбинации носителей в узкозонпой фазе.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации

Достоверность результатов выполнения диссертационной работы подтверждается многократными экспериментами, выполненными при различных граничных условиях, но приводящих к одному и тому же выводу. Выводы и результаты работы не противоречат основным физическим законам и постулатам. Результаты вычислений получены при использовании только хорошо известных, математически доказанных методов анализа и преобразований. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной современной измерительной аппаратуры и соответствует ранее полученным данным

Практическая значимость

1. Показана возможность изменения выхода вторичных ионов из фоточувствительных мишеней посредством измсиения спектрального состава подсветки. Получено полуэмпирическое выражение, описывающее спектральную характеристику ВИФЭ.

2. Показана возможность управления выходом как положительных, так и отрицательных ионов посредством изменения спектрального состава дополнительной подсветки распыляемой мишени, а также за счет комбинации фазового состава распыляемых объектов.

3. На основании теоретических выводов показана возможность управления легированием для получения сверхрешеток и тонких пленок, получаемых в процессе ионного распыления. Контроль потока и состава осаждаемых частиц реализуется изменением спектрального состава и интенсивности подсветки при распылении фоточувствительных мишеней, содержащих необходимые химические элементы

Положения, выносимые на защиту

1. В гетерофазных фотопроводящих поликристаллических пленках ограниченных твердых растворов С(18-РЬ8, используемых как модельное вещество для исследования ВИФЭ, зависимость выхода вюричных положительных ионов от длины волны излучения видимого диапазона, индуцирующего данный выход, различна для СсГ и РЬ+, при этом спектральная зависимость выхода определяется спектром фотопроводимости.

2. В фотопроводящих пленках Сс18-РЬ£ экспериментально определенный спектральный диапазон, в котором проявляется аномальный ВИФЭ для ионов РЬ+, вышедших из узкозонной фазы, совпадает со спектральным диапазоном интенсивной фотолюминесценции, что подтверждает рекомбинационный механизм аномального ВИФЭ.

3. При облучении фотопроводящих пленок Сс15-РЬ8 светом, имеющим плотность мощности, сравнимую с плотностью мощности пучка первичных ионов, плотность мощности, передаваемая за счет переноса дырок из широкозонной в узкозонную фазу, на три порядка меньше плотности мощности первичного ионного пучка. При этом повышение выхода вторичных ионов составляет 5-15%.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная молодежная научная школа по оптике, лазерной физике и биофотонике «Saratov Fall Meeting» Саратов, Россия, 23-26 сентября 2008 г.;

2. XI международная конференция «Опто-, наноэлектропика, нанотехнологии и микросистемы» Ульяновск, Россия, 23-25 мая 2009 г.;

3. Международная молодежная научная школа по оптике, лазерной физике и биофотонике «Saratov Fall Meeting» Саратов, Россия, 21-24 сентября 2009 г.;

4. Международная молодежная научная школа по оптике, лазерной физике и биофотонике. «Saratov Fall Meeting» Саратов, Россия, 5-8 октября 2010 г.;

5. XLV Школа ПИЯФ РАН Гатчина секция физики конденсированного состояния. - Гатчина, Россия, 14-19 марта 2011 г.;

6. XIII международная конференция «Опто-, наноэлектропика, нанотехнологии и микросистемы» Ульяновск, Россия, 4-7 сентября 2012 г.;

7. XXII Международная научно-техническая конференция, по фотоэлектронике и приборам ночного видения. - Москва: ФГУГ1 «НПО Орион», Россия, 21-25 мая 2012 г.

Материалы диссертационной работы использовались при

выполнении исследований по грантам Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ): 06-08-01609-а «Взаимодействие радиационпо-стойких гстерофазных полупроводников с ускоренными ионами и видимым све ч ом» (2006-2007 гг.), 08-08-00764-а «Исследование процессов самоорганизации напоразмерных кластеров в фотопроводниках и их влияние на радиационную стойкость» (2008-2010 гг.).

По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 23 работы [1-23], в том числе 5 статей из списка изданий, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ, 5 статей в других изданиях и 13 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях 2008-2012 гг.

Личный вклад автора состоит в изучении литературных источников is области вторично-ионной масс-спектрометрии и смежных с ней областей, проведении всех опытов и экспериментов, описанных в работе, построении математических моделей, описывающих основные результаты исследований, проведении числового расчета всех параметров, необходимых для формулирования защищаемых положений и написания выводов, выявлении закономерностей, связывающих результаты работы с уже известными фактами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 131 страниц машинописного текста, включая 58 рисунков, 2 таблицы, 1 приложение. Список литературы содержит 82 наименований и изложен на 6 страницах.

1. Некоторые закономерности ионной масс-спектрометрии и вторичио-иоиного фотоэффекта. Аналитический обзор

1.1. Процессы масс-спектрометрии и некоторые типы масс-спектрометров

К числу самых информативных методов послойного определения концентрации элементов в структуре можно причислить методы вторично-ионной масс- спектрометрии (ВИМС) и нередко сопрягаемой с ней Оже-спектрометрии (ОС). Эти методы позволяют непосредственным образом определять типы химических элементов и глубины их залегания.

ВИМС обладает рядом уникальных возможностей:

1. Анализу можно подвергать любые твердые вещества без какой-либо специальной подготовки (металлы и сплавы, полупроводники);

2. Регистрируются все элементы от водорода до трансурановых;

3. Идентификация изотопов не требует дополнительных усилий;

4. Чувствительность анализа на современных приборах составляет по концентрации ~ 1012- 1016 атомов примеси в 1 см3 (~ 10"4-10'7 %), по расходу вещества - 10"14-10"15 г (~ 10"6 монослоя);

5. Возможность проводить послойный анализ материалов с высокой разрешающей способностью по глубине - порядка 30 - 100 А;

6. Идентифицируются не только отдельные элементы, но и их химические соединения.

В тоже время метод имеет и некоторые недостатки:

1. Трудность точного количественного определения элементного состава образца, связанная с зависимостью вероятности ионизации частиц от их окружения;

2. Разрушающее воздействие пучка первичных ионов па исследуемый образец, и как следствие, возникновения эффектов связанных с перемешиванием и сегрегацией элементов на поверхности;

3. Общим существенным недостатком таких методом является то, ч то они являются разрушающими. В процессе исследования происходит постепенное послойное распыление материала образца, т.е. удаление атомов с поверхности твёрдого тела в результате передаче им энергии от какого-либо внешнего источника, достаточной для разрушения межатомных связей;

Очень часто распыление материала поверхности твёрдых тел достигается путем бомбардировки ее ускоренными ионами [8], [9]. Ионное распыление можно разделить на несколько категорий - физическое, термическое, химическое [8].

При проведении исследований методом ВИМС атомы поверхности в результате распыления частично ионизуются (менее 5%), фокусируются и попадают в масс-анализатор, где они разделяются в соответствии с их массами. Кроме того, при бомбардировке вещество может распыляться не только в виде одноатомных ионов, но и в виде ионизованных атомных кластеров (Си„+, Ог+, ТЮ2~, С59№Г и др.). Ионизованные фрагменты

попадают на детектор, который фиксирует интенсивность тока вторичных ионов (кластеров) и передает информацию на ЭВМ.

Разложение в масс- спектр позволяет получить как качественный, так и количественный состав. При анализе с использованием Оже-спектрометрии измеряется количественный состав вещества, оставшегося после удаления верхних слоев, тем самым определяется зависимость концентрация вещества от глубины травления послойно.

Существуют различные способы реализации послойного анализа при помощи ВИМС. Важным при этом является тип распыляющего агента, атомы которого используются для послойного травления образца, и режим травления.

Агентами при травлении выступают ионы газов (02+, И2+, Н2+, Аг\ Хе+, Кг"") или металлов (Сб+, С(1+, Си+), которые выбираются в зависимости от типа проводимых исследований и конструкции установки.

Вторым важным фактором является режим распыления. Под режимом распыления понимается совокупность значений токов первичных пучков, ускоряющих напряжений, способов детектирования.

Различные значения плотностей токов соответствуют различным типам режимов распыления при вторичном ионном эффекте (ВИЭ). Диапазон плотности тока от 0 до 0,5 мА/см2 соответствует энергиям ионов из поверхностных соединений и адсорбагов, диапазон от 0,5 до 2 мА/см2 -соответствует ВИЭ из объёма мишени, значения плотности тока свыше 2 мА/см соответствуют нелинейным эффектам [10], [11].

Ускоряющие напряжения ионной пушки, которые используются в ВИМС и послойном анализе могут меняться от десятков эВ до десятков кэВ.

Для определения распределения элементов по глубине необходимо знать скорость травления. Скорость распыления определяется в основном плотностью тока первичных ионов.

Ионы, эмитированные распыляемой мишеныо, могут быть разделены по массам в соответствии с отношением заряда к массе, при использовании системы магнитного масс сепаратора. В системе время-пролётного разделения ионы сортируются по массе вследствие разницы в скоростях ионов. Таким образом, зная время распыления и скорое гь травления можно получить профиль распределения элементов по глубине.

Масс-спектрометр - прибор для разделения ионизированных частиц вещества (молекул, атомов) по их массам, основанный на воздействии магнитных и электрических полей на пучки ионов, летящих в вакууме. Регистрация ионов в данном устройстве осуществляется электрическими методами. В настоящей работе использованы масс-спектрометры двух типов: с магнитной или электрической разверткой ионов по массам.

Нейтральный атом не подвержен действию электрического и магнитного поля. Однако, если отнять у него или добавить ему один и более электрон, то он превратится в ион, характер движения которого в этих полях будет определяться его массой и зарядом. Строго говоря, в масс-

спектрометрах определяется не масса, а отношение массы к заряду. Если заряд известен, то однозначно определяется масса иона, а значит масса нейтрального атома и его ядра.

При реализации метода ВИМС необходимо пройти следующие

этапы.

Этап 1: Ионизация. Образование положительно заряженного иона, путем выбивания одного или нескольких электронов из атома (масс-спектрометры всегда чаще работают с положительными ионами).

Этап 2: Ускорение. Ионы ускоряются таким образом, чтобы у всех была одна и та же кинетическая энергия.

Этап 3: Отклонение. Ионы отклоняются от траектории магнитным или электрическим полем согласно их массам.

Этап 4: Детектирование. Пучок ионов, прошедший через прибор, детектируется электронными средствами.

Схема работы масс-спектрометра.

В соответствии с конструкцией анализатора масс существуют пять основных типов масс-спектрометров (МС):

1. Секторные магнитные и (или) электрические МС Ионы, покидающие источник ионов, ускоряются и проходят через сектор, в котором магнитное (или электрическое) поле прикладывается перпендикулярно к направлению их движения. Поле изгибает траекторию полета ионов и принуждает ионы с различным отношением заряда к массе разлетаться веером. В сканирующем анализаторе масс изменяют силу электрического или магнитного поля, при этом каждый раз регистрируется только одна масса. В не сканирующем анализаторе все массы регистрируются одновременно с помощью многоканального детектора.

2. Квадруиольиые МС. Пучок ионов с помощью электрического поля разгоняется до высокой скорости и проходит сквозь квадрупольный анализатор масс, состоящий из четырех металлических стержней. К этим стержням прилагается напряжение постоянного или переменного тока таким образом, что в каждый момент времени сквозь анализатор пролетают ионы только с одним отношением массы к заряду — т/т.-е- Чтобы иросканировать различныет/2 . е, напряжение тока варьируют.

3. МС с ионной ловушкой. С помощью различных высокочастотных сигналов, которые прилагаются к кольцевому электроду и концевым заглушкам, все ионы улавливаются в полости и затем последовательно испускаются соответственно величине их отношений После прохождения через ускоряющую разность потенциалов ион с зарядом ге, массой т и скоростью V приобретает кинетическую энергию Е = е?М —

ту2 2

4. Времипролетные МС. Времяпролетпые масс-спектрометры отличаются тем, что в них с помощью, например, импульса ионизирующего

лазера или с помощью импульса высокого напряжения в электрическом затворе ионы стартуют в одно и то же время. Времяпролетные масс-спектрометры (ВП-МС) обычно менее дорогие, чем другие типы масс-спектрометров. По сравнению с квадрупольными МС и многими секторными МС они обладают тем преимуществом, что регистрируют массы всех ионов без сканирования, что способствует их высокой чувствительности. Однако у ВП-МС меньшая разрешающая способность и меньший интервал регистрируемых масс, чем у масс-спектрометров с преобразованием Фурье (МС-ПФ).

5. МС с преобразованием Фурье. Принцип работы масс-спектрометра с преобразованием Фурье (МС-ПФ): а — ионы впрыскиваются (инжектируются) в ячейку анализатора. Магнитное поле вынуждает тепловые ионы вращаться по низким орбитам, радиус которых зависит от отношения массы ионов к их заряду m/ze\ б — прилагаемые высокочастотные импульсы резонансно передвигают ионы на более высокие орбиты; в — высокочастотный сигнал, порождаемый принудительным вращением ионов, измеряется и подвергается Фурье-преобразованию.

Замечательной особенностью МС-ПФ является высокое разрешение (JI), которое обычно превышает 100000.

Существенное улучшение информационного содержания спектров достигается фрагментацией образца, которое можно осуществить, например, в ионизационной камере или в полости ионной ловушки анализатора масс, заполненной инертным газом, например, аргоном.

Распыление атомов поверхности можно осуществлять не только ионным пучком, но и лазерным излучением высокой плотности. Метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом называется лазерной абляцией. В последнее время быстро развивается метод ЛА-ИСП-МС (масс-спсктрометрия с индуктивно-связанной плазмой и лазерной абляцией), при котором анализ производится путём переноса продуктов лазерной абляции (аэрозоля) в индуктивно-связанную плазму и последующим детектированием свободных ионов в масс-спектрометре [12]. Метод MALDI (Matrix-assisted laser desorption/ionization, Матричпо-активная лазерная

десорбция/ионизация), является модификацией описанного метода (см рис. 1.1.).

Вторичная ионизация

Ион-молекулярные реакции:

М" + Л —■>• М + А" /\ (перенос заряда) М+' + А —♦ М + А}'

МН+ + Л — М _+ ЛН+ (протоиировапие) 1УГ\а+ + А —> М + (катионированне)

Образец

Рисунок 1.1. Схема лазерной абляции и вторично-ионной масс-спектрометрии МЛЬО! [13].

Для некоторых исследовательских задач целесообразно использовать в качестве распыляющего агента не отдельные ионы, а целые кластеры.

Способы определения состава могут различаться в зависимости от методики исследования [14], [15]. В некоторых случаях анализ распылённого вещества проводится приёмником ионов, в других случаях поток первичных ионов используется исключительно для послойного удаления материала, а анализ состава проводится методом Оже-спектрометрии [16].

При профилировании твердотельных гетероструктур методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), возможно использовать многоатомные ионы в качестве первичных частиц. Показано, что бомбардировка мишени ионизованными кластерами кислорода О',, (п = 3,4) позволяет снизить удельную энергию удара в пересчете на первичный атом и поэтому достигается существенное улучшение разрешения по глубине. Показана возможность получения пучка первичных ионизованных кластеров вида 0+„ (/7=3,4) с удельной энергией удара вплоть до 1 кВ/атом. при использовании стандартного источника ионов, снабженного магнитным масс-сепаратором, и магнитно-секторного вторично-ионного масс-спектрометра. ВИМС профилирование тестовой структуры СаЛБ/Д-ЛЬАв/СаАв/... при использовании первичных ионов 0+з с удельной энергией кВ/атом. демонстрирует высокое разрешение по глубине [17], (18|.

Постоянно развиваются и совершенствуются системы для определения профилей распределения элементов. Существуют изобретения, объединяющие новейшие системы и методы анализа, тем самым добивающиеся высокой точности и надёжности. Такие методы основаны на

{М; и\ —' ши , ш , 1411(1 , 111 , си,

получении спектроскопической информации с образца, находящегося как минимум в двух электрических состояниях. Спектроскопические данные охватывают сигнал заряженных частиц, эмитированных из образца, и свидетельствующих об изменении в амплитуде, спектральном положении и форме сигнала, полученного с образца. Изменения свидетельствуют о композиционном профиле и пространственном распределении как минимум одного химического элемента вдоль направления через образец [19].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Матасов, Максим Дмитриевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Herzog, R. К. Ion sourse of mass spectrography / R. K. Herzog, F. P. Viehbock // Phys. Rev. -1949.-Vol. 76 (5).-P. 855-856.

[2] Veksler, V. I. The ionic component in the sputtering of metals / V. I. Veksler // Radiat. Eff. -1980.-Vol. 2 (51).-P. 129-170.

[3] Antal, J. On the quantum theory of the emission of secondary ions / J. Anta! // Phys. Lett. A. -1976. - Vol. 8 (55). - P. 493- 494.

[4] Gnaser, H. Low-Energy Ion Irradiation of Solid Surfaces / H. Gnaser - Vol. 146. - Berlin: Springer Berlin / Heidelberg, 1999. - 293 p.

[5] Garrison, B. J. Atomic and molecular ejection from ion-bombarded reacted single-crystal surface. Oxygen on copper (100) / B. J. Garrison, N. Winograd, D. E. Harrison // Phys. Rev. - 1978. -Vol. 18(11).-P. 6000-6010.

[6] Сердобинцев, A.A. Вторично-ионная массспектрометрия фотопроводящих мишеией /

A.А. Сердобинцев, А.Г. Роках, С.В. Стецюра, А.Г. Жуков // Письма в Журнал технической физики. - 2007. - Т. 77, №11. - С. 96-102.

[7] Lightinduced suppression of sulfur in a cesium sputter ion source / M. Martschini, J. Rohlen, P. Andersson et al. // International Journal of Mass Spectrometry. - 2012. - Vol. 315, no. 1. -

P. 55-59.

[8] Черепин, В. Т. Ионный микрозондовый анализ / В. Т. Черепин. - Киев: Наук, думка, 1992. -342 с.

[9] Бериш Р. Распыление под действием бомбардировки частицами. Характеристики распыленных частиц, применения в технике / Р. Бериш, К. Виттмак.; пер. с англ.

B.А. Молчанова-М.: Мир, 1998.-551с. - Вып. III.

[10] Sparkman, О. D. Introduction to Mass Spectrometry: Instrumentation, Applications, and Strategies for Data Interpretation / O. D. Sparkman, J. T. Watson. - New York: John Wiley & Sons, 2007. - 862 p.

[11] Zaikin V. A Handbook of Derivatives for Mass Spectrometry / V. Zaikin, J. M. Halket. -Chichester: IM Publications LLP, 2009.-513 p.

[12] Иванов, А. В. Анализ изотопных отношений осмия методом 1CP-MS при химическом травлении молибденита: приложение к Re-Os датированию с предварительной нейтронной активацией / А. В. Иванов, С. В. Папесский // Геохимия. - 2003. - № 10. - С. 1121-1126.

[13] A novel MALDI L1FT-TOF/TOF mass spectrometer for proteomics / D. Suckau, A. Resemann, M. Schuerenberg, P. Hufnagel et al. // Analytical and Bioanalytical Chemistry. -2003. - Vol. 376 (7). - P. 952-965.

[14] Масс-анализатор Orbitrap с прямым вводом ионов в сочетании с лазерной десорбцией/ионизацией / А. А. Макаров,А. А. Гречников, С. М. Никифоров и др. //

Масс-спектрометрия. -2013. - T. 10, № 2. - С. 77-83.

[15] Сысоев, В. И. Анализ плёнок карбонитрида кремния методом лазерной масс-спектрометрии / В. И. Сысоев, Д. Ю. Троицкий, А. И. Сапрыкин // Масс-спектромерия. -2013.-Т. 10, №2.-С. 103-109.

[16] Николичев, Д. Е. Исследование состава самоорганизованных нанокластеров gexsil-x/si методом сканирующей оже-микроскопии: дис. ...канд. физ.-мат. наук : 01.04.10 / Николичев Дмитрий Евгеньевич. - Нижний Новгород, 2009. - 142 с.

[17] Лебедев, А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии / А. Т. Лебедев. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.-494 с.

[18] ВИМС профилирование гетероструктур GaAs/delta-AlAs/GaAs/... с помощью многоатомных ионизованных кластеров кислорода / Б. Я. Бер, А. П. Коварский, Д. 10. Казанцев, Ю. В. Трушин // Письма в Журнал технической физики - 2004. - Т. 30, № 19.-С. 80-87.

[19] Cohen, H. Method and system for determining depth profiling : patent W02010046896 (A2) European Application Publication. 2002.

[20] Методы анализа поверхности / под. ред. А. Зандерна. - Москва: Мир, 1979. - 582 с.

[21] Optimization of depth resolution parameters in AES sputter profiling of GaAs/AlAs multilayer structures / A. Rar, S. Hofmann, K. Yoshihara, K. Kajiwara // Applied Surface Science. - 1999. -Vol. 144-145.-P. 310-314.

[22] Гуртов В. А. Твердотельная электроника / В. А. Гуртов. - Москва: Техносфера, 2005. -512 с.

[23] Konarski, P. B4C/Mo/Si and Та205/Та nanostructures analysed by ultra-low energy argon ion beam / P. Konarski, A. Mierzejewska // Applied Surface Science. - 2003. - Vol. 203-204. -

P. 354-358.

[24] Mashkova, E. S. Particle and energy reflection from solid surface / E. S. Mashkova // Radiation effects. - 1981. - Vol. 54 ( 1 ). - P. 1 -28.

[25] Киттель, 4. Введение в физику твёрдого тела / Ч. Киттель. - Москва: Наука, 1978.-789 с.

[26] Броудай, И. Физические основы микротехнологии / И. Броудай, Д. Мерей. - М.: Мир, 1985.- 496 с.

[27] Гоулдстейн, Д. Практическая растровая электронная микроскопия / Д. Гоулдстейн, X. Яковиц. - Москва: Мир, 1978. - 656 с.

[28] Мак-Хыо И. А. Вторично-ионная масс-спектрометрия: / в кн.: Методы анализа поверхности / под ред. А. Зандерны; пер. с англ.-М.: Мир, 1979. - С. 276-342.

[29j Фелдман, JI. Основы анализа поверхности и тонких пленок / JI. Фелдман, Д. Майер. - М.:

Мир, 1989.-342 с.

[30] Sigmund P. Theory of sputtering. Sputtering yield of amorphous and poiycrystailine target / P. Sigmund // Phys. Rev. - 1969. - Vol. 2, no. 184. - Pp. 383-416.

[31] Физическое распыление одноэлементных твердых тел // Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / под ред. Р. Бериша ; пер. с англ. под ред. В. А. Молчанова. - М.: Мир, 1984.-336 с.

[32] Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности // Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / под ред.

Р. Бериша. - М.: Мир, 1986. - 488 с.

[33] Эльтеков, В.А. Расчет на ЭВМ угловой зависимости распыления монокристалла /

В.А. Эльтеков, В.Н.Самойлов, В.Е.Юрасова. // Поверхность. Физика, химия, механика. -1982.-№ 3. — С. 43-49.

[34] Mashkova Е. S. Medium energy ion scattering by solid surface / E.S. Mashhova, V.A. Molchanov//Radiation effects. - 1972. - Vol. 16 (4).-P. 143-151.

[35] Weissman R. Sputtering and backscattering of kev light ions bombarding random targets / R. Weissman P. Sigmund // Radiation effects. - 1973. - Vol. 19 (1). - P. 7-14.

[36] Роках, А. Г. Исследование спектральной характеристики вторично-ионного фотоэффекта / А. Г. Роках, А. А. Сердобинцев, М. Матасов // Вопросы прикладной физики. Межвузовский научный сборник. - 2007. - № 14. - С. 35-40.

[37] Rokakh, A. G. External ionic photoeffect: Paradoxes and models / A. G. Rokakh, M. D. Matasov // Physics express.-2011.-Vol. 1 (1). - P. 57-66.

[38] Boeer, K. W. Cadmium Sulfide as a Model for Photoelectric Researches / K. W. Boeer, Z. Wissen //Malh.-Nat. R.VIII, 1958/59.

[39] Томашик, В. H. Диаграммы состояния систем на основе полупроводниковых соединений AIIBVI: справочник / В. Н. Томашик, В. И. Грыцив. - Киев: Наук, думка, 1982. - 168 с.

[40] Snowden K.J. Molecule formation during sputtering by two-body assotiative ionization with adiabatic curve crossing / K.J. Snowden, W. Heiland, E. Taglauer// Phys. Rev. Lett. -1981. -Vol. 46, № 5. - P. 284 -287

[41] Роуз, А. Зрение человека и электронное зрение / А. Роуз. -М.: Мир, 1977.-216 с.

[42] Рывкин, С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках / С. М. Рывкин М.: Физматгиз, 1963. - 496 с.

[43] Роуз, А. Основы теории фотопроводимости / А. Роуз. -М.: Мир, 1966. - 189 с.

[44] Бухаров В.Э. Влияние электронного облучения на рекомбинацию и прилипание в пленочных полупроводниках на основе А2В6-А4В6 / В. Э. Бухаров, А. Г. Роках,

С. В. Стецюра//Письма в Журнал технической физики. - 1999. - Т. 25, № 3. - С. 66-72.

[45] Рывкин, С. М. Физика и техника полупроводников Т. 13, № 780. 1979.

[46] Названов, В. Ф. Полупроводниковые лазеры : учебное пособие. / В. Ф. Названов. -Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1971.

[47] Кюри, Д. Люминесцения кристаллов / Д. Кюри; под ред. Н. А. Толстой; пер. с франц. Н.М. Лозинской. - Москва: Изд-во иностраной литературы, 1961. - 193 с.

[48] Пул, Ч. Нанотехнологии : мир материалов и технологий / Ч. Пул, Ф. Оуэне. - Москва: Техносфера, 2006. - 336 с.

[49] Шмидт, В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов / В. Шмидт; под ред. С. В. Савилов. - М.: Техносфера, 2007. - 368 с.

[50] Мартинес-Дуарт, Д. М. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники: мир материалов и технологий / Д. М. Мартинес-Дуарт, Р. Д. Мартин-Палма, Ф. Агулло-Руеда. - Москва: Техносфера, 2007. - 368 с.

[51] King, P. L. Artifacts in Auger microanalysis / P. L. King // Surf. Interface Anal. - 2000. -Vol. 30(1).- C. 377-382.

[52] Киселёв, С. А. Метод нейтрализации поверхностного заряда при анализе непроводящих образцов на масс-спектрометре вторичных ионов / С. А Киселёв, Л. В. Цыро,

Д. А. Афанасьев и др. //Масс-спектрометрия. -2012. -Т. 9.-С. 53-58.

[531 Роках, А. Г. Спектральное управление вторично- ионным фотоэффектом путь к

оптоионике / А. Г. Роках, М. Д. Матасов, А. Г. Жуков // Российские нанотехнологии. -2010.-Т. 5, №5-6.-С. 69-74.

[54] Роках, А. Г. О спектральной характеристике вторично-ионного фотоэффекта / А. Г. Роках, А. А. Сердобинцев, М. Д. Матасов и А. П. Кондратьев // Вестник СГТУ. - 2007. - Т. 26, № 1(3).-С. 106-111.

[55] Кирьянов, Г. И. Новый специализированный масс-спектрометр МТИ-350ГС для обеспечения сублиматного производства гексафторида урана / Г.И. Кирьянов, А. С. Штань, Б. Г. Джаваев и др. // Масс-спектрометрия. - 2012. -№ 9. - С. 29-36.

[56] Роках, А. Г. Влияние спектрального состава подсветки на выход вторичных ионов при ионной бомбардировке гетерофазного полупроводника / А. Г. Роках, А. П. Кондратьев // Вопросы прикладной физики. - 2004. - № 10. - С. 67-90.

[57] Золотое, С. И. Фотолюминесценция плёнок тройных твёрдых растворов Pb(l-x)CdxS / С. И. Золотов, Н. Б. Трофимова, А. Э. Юнович // Физика и техника полупроводников. -1984.-Т. 18, №4.-С. 631-634.

[58] Роках, А.Г. Трофимова Н.Б. Об усилении люминесценции в узкозонной фазе гетерогенного полупроводника PbS-CdS / А.Г. Роках, Н.Б. Трофимова // Письма в Журнал технической

физики. - 2001. - T. 71, № 7, С. 122-125.

[59] Роках, А. Г. Парадоксы фотопроводящей мишени и оптическое управление выходом вторичных ионов / А. Г. Роках, М. Д. Матасов // Физика и техника полупроводников. -

2010. - Т. 44, № 1.-С. 101-108.

[60] Матасов, М. Д. Вторично-ионный фотоэффект на ионах кремния / М. Д. Матасов, А. Г. Роках // XLV Школа ПИЯФ РАН, Гатчина. Секция физики конденсированного состояния : Программа, тезисы и список участников / РАН ПИЯФ им. Б.П. Константинова. - Гатчина,

2011.-С. 117.

[61] Матасов, М. Д. Фотоиндуцированное распыление пленочной структуры SiO-GaAs / M. Д. Матасов, А. Г. Роках // Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды XIII международной конференции. -Ульяновск: УлГУ, 2011. - С. 39

[62] Осинский, В. И. Ионно-твёрдая наноэпитаксия гетероструктур арсенида-нитрида галлия / В.И. Осинский, В. Г. Вербицкий, В. И. Глотов, Д. О. Мазунов // Электроника и связь. Тематический выпуск "Проблемы электроники". - 2008. - Т. 1. - С. 76-80.

[63] Милне, А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках/ А. Г. Милне . -М. : Мир, 1977 .-562 с.

[64] Prahl, S. A. Determining the optical properties of turbid mediaby using the adding-doubling method / S. A. Prahl, M. J. van Gemert, A. J. Welch// Applied Optics. -1993. - Vol. 32 (4). -P. 559-568.

[65] Адирович, Э. И. Некоторые вопросы теории люминесценции кристаллов / Э. И. Адирович. - 2-е издание - М.: Гостехиздат, 1956. - 350 с.

[66] Мосс, Т. Полупроводниковая оптоэлектроника / T. Мосс. — М.: Мир, 1976. - 35 с.

[67] Зайдель, А. Н. Техника и практика спектроскопии / A. H. Зайдель, Г. Н. Островская, 10. И. Островский. - М.: Наука, 1972. - 376 с.

[68] Бонч-Бруевич, В. Л. Физика полупроводников / В. Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников -2-е издание ред-М.: Наука. Главная редакция Физико-математической литературы, 1990. -678 с.

[69] Маляр И.В. Формирование люминесцирующих кристаллитов в результате распада пересыщенного твёрдого раствора PbS-CdS / И.В. Маляр, М.Д. Матасов, C.B. Стецюра // Письма в Журнал технической физики. -2012. - Т. 38. Вып. 16. - С. 42-50.

[70] Филачёв, А. М. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды / А. М. Филачёв, И. И. Таубкин, М. А. Тришенков. - М.: Физматкнига, 2011. - 448 с.

[71] Buffeteau, T. Optical Constant Determination in the infrared of Uniaxially Oriented Monolayers from Transmittance and Reflectance Measurements / T. Buffeteau, D. Blaudez, E. Pere,

B. Desbat // J. Phys. Chem. B. - 1999. - Vol. 103 (24). - P. 5020-5027.

[72] Flach, С. Quantitative Determination of Molecular Chain Tilt Angles in Monolayer Films at the Air/Water Interface: Infrared Reflection/Absorbtion Spectroscopy of Behenic Acid Methyl Ester / C. R. Flach, R. A. Gericke, R. Mendelsohn // J. Phys. Chem - 1997. - No. 101. - P. 58-65.

[73] Mendelsohn, R. Infrared Reflection-absorbtion Spectroscopy of Monolayer films at the Air-Water Interface / R. Mendelsohn, C. R. Flach // Handbook of Vibrational Spectroscopy. - 2002. -

Vol. 2.-P. 1028-1041.

[74] Shurvell, H. F. Spectra-Structure Correlation in the Mid- and Far- infrared / H. F. Shurvell. -Handbook of Vibrational Spectroscopy. - Chichester: John Willey & Sons Ltd., 2002. - P. 1-155.

[75] Gericke, A. Polarized external infrared eflection-absorption spectrometry at the air/water iterace: comparison of experimental and theoretical results for different angels of incidence / A. Gericke, A. V. Michailov, H. Huhnerfuss // Vibrational Spectroscopy. - 1993. - Vol. 4. - P. 335-348.

[76] Mendelsohn, R. External infrared reflection absorbtion spectrometryof monolayer films at the air-water interface / J. W. Brauner, A. Gericke// Ann. Rev. Phys. Chem. - 1995. - Vol. 46. -P. 305-334.

[77] Власенко, H. А. Особенности и природа полосы фотолюминесценции 890

нм,обнаруженной после низкотемпературного отжига пленок SiOx/ Н. А. Власенко, Н. В. Сопинский, Е. Г. Гулей // Физика и техника полупроводников. - 2011. - № II.-С. 1470-1475.

[78] Мосс, Т. Оптические свойства полупроводников / Т. Мосс ; пер. с англ. М.М. Горшкова, под ред. B.C. Вавилова.-М. : Изд-во иностр. лит., 1961.-304 с.

[79] Булах, Б. М. О влиянии процесса окисления на эффективность и спектр люминесценции пористого кремния / Б. М. Булах, Н. Е. Корсунская, JI. Ю. Хоменская и др. // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т. 40, № 5. - С. 614.

[80] Белый, В. И. Кремния оксид / В. И. Белый // Химическая энциклопедия. - М., Сов. энциклопедия, 1994,- С. 1030-1031.

[81] Минтаиров, С. А. Исследование диффузионных длин неосновных носителей заряда / С. А. Минтаиров, В. М. Андреев, В. М. Емельянов // Физика и техника полупроводников. - 2010. -Т. 44, №8.-С. 1118-1123.

[82] Гаман, В. И. Физика полупроводниковых приборов / В. И. Гаман. - 2-е издание ред. -Томск: HTJI, 2000.-426 с.

Автор выражает искреннюю благодарность Рокаху Александру Григорьевичу за чуткое руководство, Стецюре Светлане Викторовне и Андрею Александровичу Сагайдачному за редакторскую помощь, Маляру Ивану Владиславовичу за предоставленное электронное изображение плёночной мишени