Основные явления при бомбардировке вещества ионами и возможности их технологического использования

При ионной бомбардировке в качестве первичных частиц могут быть использованы как положительные, так и отрицательные ионы, а также нейтральные атомы. Наиболее часто используют ионы, несущие положительный заряд вследствие большей простоты их получения по сравнению с отрицательными ионами и большей простоты ускорения и управления их движением по сравнению с нейтральными атомами. Облучение может производиться не только атомарными, но и молекулярными ионами. Наконец, можно использовать и многозарядные ионы.

Если учесть, что в качестве бомбардирующих частиц можно использовать ионы практически всех элементов таблицы Менделеева, а также молекулярные ионы и частицы в разных зарядовых состояниях, то можно считать, что ионные пучки являются потенциально более гибким средством воздействия на объект по сравнению с электронными.

Двигаясь от ионной пушки к облучаемому образцу, ионы могут взаимодействовать с молекулами и атомами паров и газов, содержащихся в вакуумном объеме, рассеиваться и терять энергию. Если такие процессы существенны, то пучок теряет моноэнергетичность и направленность, а в объеме появляются чужеродные ионы. Чтобы этого не происходило, длины свободного пробега ионов, которые обратно пропорциональны произведению концентрации атомов паров и газов на сечение соответствующего взаимодействия, должны быть много больше, чем путь, проходимый ионами. Для типичных значений сечений рассеяния ионов, которые при энергиях порядка 1...10 кэВ составляют 10 й — 10'17 см при длине пути ионов порядка 1 м, вакуум в установке должен быть лучше 10гПа.

Кроме таких эффектов рассеяния и потери энергии возможно еще явление перезарядки ионов. Оно сводится к тому, что движущийся ион захватывает электрон у атома, с которым он взаимодействует, и продолжает движение уже в нейтральном состоянии. Если в дальнейшем ионный пучок с помощью электростатической отклоняющей системы разворачивается в растр, то возможно существенное нарушение однородности в месте, куда попадают нейтрализовавшиеся ионы, поскольку электрическое поле на них не действует.

Система ион-твердое тело обычно обладает запасом потенциальной энергии. Это связано с тем, что электроны в одной части такой системы (например, в твердом теле) энергетически находятся выше, чем свободные уровни в другой части (ионе). При сближении иона с поверхностью на расстояния порядка атомных становится возможным переход электрона из твердого тела на нижележащие уровни иона. Высвободившаяся энергия может быть безызлучательным образом передана другому электрону твердого тела в результате оже-процесса. Если этот второй электрон окажется на уровне выше вакуумного, и направление его импульса будет благоприятным, то он выйдет в вакуум, и будет наблюдаться эмиссия электронов, называемая потенциально-электронной эмиссией. На основании анализа энергетических спектров выходящих в вакуум электронов можно судить о распределении энергетических состояний валентных электронов твердого тела в приповерхностных слоях. Этот метод получил название ионно-нейтрализационной спектроскопии.

Если на поверхности твердого тела адсорбированы атомы и молекулы, то под действием ионной бомбардировки на поверхности могут протекать химические реакции вследствие возбуждения электронных состояний атомов и молекул, возникновения свободных химических связей и разрушения адсорбированных соединений.

Проникнув в твердое тело и двигаясь в нем, ионы теряют энергию и рассеиваются, испытывая два различных типа соударений — упругие и неупругие.

Упругими (ядерными) соударениями называются такие соударения, при которых энергия иона передается атомам твердого тела. Процесс торможения, связанный с упругими соударениями, имеет дискретный характер. В среднем в каждом таком соударении ион передает атому достаточно большую энергию, так как в отличие от упругих соударений электронов с атомами, массы взаимодействующих частиц в этом случае имеют одинаковый порядок. Упругие соударения ионов с атомами сопровождаются также сильным рассеянием первичных частиц.

Неупругими (электронными) являются соударения, в которых энергия иона передается электронам. При каждом соударении передается относительно малая энергия, и торможение в этом случае можно рассматривать как квазинепрерывный процесс. Неупругие потери не сопровождаются заметным рассеянием первичных ионов, так как слишком велика разница масс взаимодействующих частиц.

При облучении ионами в результате неупругих соударений происходят следующие явления.

Возбуждение электронов это появление электронов на высоких ранее свободных энергетических уровнях и одновременно образование вакансий на низших уровнях, которые в условиях термодинамического равновесия являются заполненными. В полупроводниках и диэлектриках в результате неупругих потерь энергии происходит генерация термически неравновесных носителей заряда — свободных электронов и «дырок». Соответственно, для полупроводников и диэлектриков, как и при электронном облучении, под воздействием пучка ионов может наблюдаться увеличение проводимости, то есть явлениерадиационной проводимости. В общем случае кинетика и стационарное значение радиационной проводимости определяются эффективностью и распределением по глубине генерируемых носителей, а также параметрами, определяющими условия их рекомбинации. Однако, возникновение радиационной проводимости сопровождается возникновением радиационных дефектов, которые могут существенно менять набор энергетических уровней.

Если в результате возбуждения ионами и последующих переходов между энергетическими уровнями часть электронов, находящихся в приповерхностном слое толщиной, равной глубине выхода (приблизительно 1 нм), оказывается на уровнях выше вакуумного, то такие электроны могут преодолеть потенциальный барьер на границе «твердое тело — вакуум» и выйти наружу. Таким образом, будет наблюдаться эмиссия электронов, возникающих вследствие неупругих потерь ионами кинетической энергии. Это явление называется кинетической электронно-ионной эмиссией. Появление пиков в распределениях по энергиям электронов, выходящих в вакуум в результате такой эмиссии, связано с электронами, получившими энергию в результате оже-процессов при заполнении низких свободных уровней вышележащими электронами, то есть тогда, когда выделяющаяся дискретная порция энергии передается еще одному электрону твердого тела безызлучательным способом. На анализе величины и энергетического положения этих пиков основана ионная оже- спектроскопия.

При релаксации возбуждения электронной подсистемы твердого тела, вызванного неупругими соударениями атомных частиц, энергия может выделяться также и в виде квантов излучения. В этом случае наблюдается свечение, называемое ионолюминесценцией. Длина волны этого излучения может лежать в инфракрасной, видимой и в ультрафиолдетовой областях. При образовании глубоких электронных вакансий, как это имеет место, например, при облучении быстрыми протонами, наблюдается и характеристическое рентгеновское излучение.

При проникновении ионов в твердое тело, как и в случае электронной бомбардировки, возникают переходное и тормозное излучения, хотя и не связанные непосредственно с торможением электронов. Эти виды излучения имеют интенсивность заметную только при больших скоростях заряженных частиц, то есть при энергиях, значительно больших, чем при электронной бомбардировке.

Изменение зарядового состояния примесных атомов, дефектов кристаллической решетки и собственных атомов твердого тела в результате прямой ионизации или захвата неравновесных носителей может повлиять на их взаимодействие с окружающей решеткой. Это, в свою очередь, приводит к изменению энергий активации ряда процессов, например, коэффициентов диффузии примесей или дефектов. Эффект увеличения диффузии примеси при заданной температуре в результате ионного облучения называется ионно-стимулированной диффузией. Возможно также изменение скорости распада сложных дефектов, возникших в результате объединения нескольких точечных. Это приводит к радиационно-стимулированному отжигу дефектов, а иногда, наоборот, к образованию радиационных дефектов. Наконец, в результате ионного облучения могут начаться химические реакции в облучаемом объеме, невозможные в равновесных условиях при данной температуре.

Рассмотрим процессы, которые происходят в твердом теле вследствие упругих столкновений ионов с атомами вещества. При этом ион может снова выйти в вакуум, то есть происходит отражение ионов от твердого тела. Такой отраженный ион может сохранить свое зарядовое состояние, а может и изменить его, превратившись, например, в нейтральную частицу. В большинстве случаев, когда энергия первичного иона во много раз превосходит энергию связи атомов в твердом теле, соударения иона с атомами можно рассматривать как парные. Это значит, что энергия и импульс перераспределяются между ионом и атомом так, как будто атом свободен, то есть не связан с решеткой. Энергия иона, рассеянного на заданный угол в парном столкновении, если его масса меньше массы рассеивающего атома, однозначно определяется их массами и начальной энергией. Если проводить измерения распределения по энергиям ионов, отраженных в определенном направлении в результате однократного рассеивания, то можно определить элементный состав мишени. Метод обратного рассеяния медленных ионов позволяет определить вид атомов, находящихся на поверхности, а метод обратного рассеяния быстрых ионов — распределение атомов различных видов по глубине.

Атомы вещества, получая в результате упругихсоударенйй энергию первичного иона, смещаются из положений равновесия. Если энергия такого атома оказывается больше энергии связи его в узле кристаллической решетки, он покинет этот узел. В результате образуется свободный узел. Иными словами упругие взаимодействия приводят к образованию радиационных дефектов. Простейшие дефекты, двигаясь по кристаллу, могут объединяться между собой и с примесями в более сложные комплексы, или, наоборот, исчезать на различных стоках или рекомбинировать между собой. Сложные дефекты могут возникать и непосредственно в процессе взаимодействия иона с твердым телом, если происходит практически одновременное смещение большого числа атомов в малой области кристалла, то есть при больших упругих потерях энергии на единицу длины траектории иона. Если образующиеся дефекты будут сохраняться, то их наличие существенно изменит различные свойства твердого тела: электрические, магнитные, оптические, химические, механические. Из-за образования дефектов возможны и фазовые переходы, типичным примером которых является переход полупроводниковых образцов под воздействием бомбардировки из кристаллического в аморфное состояние.

Наличие подвижных точечных дефектов с концентрациями, существенно превышающими равновесные, изменяет характеристики диффузии и может приводить к радиационно-стимулированной диффузии. Взаимодействуя со сложными комплексами, точечные дефекты могут ускорять их отжиг и, например, восстанавливать кристалличность аморфных слоев при температурах, меньших, чем при термическом отжиге. Иными словами, упругие процессы могут при определенных условиях вызвать радиационно-стимулированный отжиг.

Атомы или группы атомов в приповерхностном слое толщиной порядка 1 нм, получившие достаточно сильный импульс в направлении границы «твердое тело-вакуум», могут выйти из мишени, в результате чего произойдет распыление вещества. Вылетающие атомы и целые «куски» вещества (кластеры), которые содержат десятки атомов, могут находиться в нейтральном, возбужденном или заряженном состоянии. Это явление катодного распыления используется для контролируемого удаления вещества с определенных участков образца (ионное травление). Распыленное вещество можно осадить на подложку и осуществить таким образом напыление тонких пленок. Анализируя распределение распыленных частиц по массам, можно судить о составе мишени (вторичная ионная масс-спектрометрия). Атомы, группы атомов и ионы, вылетевшие в возбужденном состоянии в вакуум, могут переходить в невозбужденное состояние, испуская кванты света. Это явление, в отличие от ионолюминесценции, при которой свечение вызывается переходами электронов внутри тела, называется ионно-фог тонной эмиссией. Анализ спектров ионно-фотонной эмиссии дает возможность устанавливать состав приповерхностных слоев исследуемого образца.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >