Распыление твердых тел ионами инертных и химически активных газов при фазовых превращениях (1097871), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Таким образом, магнитные свойстваприповерхностного слоя, из которого происходит эмиссия вторичных частиц, изменяютсяпри бомбардировки ионами О2+. Поэтому отсутствие особенностей температурнойзависимости ВИЭ никеля, облученного ионами О2+, обусловлено отсутствием магнитногофазового перехода в приповерхностном слое образца.Нитрид никеля является парамагнетиком. А наблюдаемые изменения зависимостиI+(T) в области магнитного фазового перехода, происходящего в объеме образца, связаныс разложением парамагнитного нитрида никеля, которое начинается с Т=360°С и особеннобыстро происходит при Т>420°С.Особенности распыления заряженных частиц при бомбардировке поверхностимагнитных материалов ионами химически активных газов имеют практический интерес.Он заключается в том, что бомбардировкой ионами химически активных газов можноизменять магнитные свойства поверхности.
Свидетельством этого являются полученныетемпературные зависимости ВИЭ никеля. Поскольку толщина модифицированного слояопределяется энергией и углом падения ионов, которыми можно легко управлять, тоимеется возможность создавать структуры с различными магнитными свойствамизаданной толщины, в том числе, нанометрового масштаба.20Впятойглавепредставленырезультатыэкспериментальногоизученияраспыления диоксида кремния и кремния ионами инертного аргона и химическиактивного азота. Результаты предыдущей главы показывают, что облучение поверхностиметаллов ионами активных газов приводит к формированию в приповерхностном слоехимических соединений, которые изменяют свойства поверхности, в том числеэмиссионные.
Более детальное исследование состава и структуры модифицированногоионной бомбардировкой слоя и их влияние на распыление изучено при распылениикремния (Si) и диоксида кремния (SiO2).При распылении диоксида кремния получены следующие значения коэффициентовраспыления: Y=1.1 ат/ион как для Si, так и для SiO2 в случае бомбардировки ионами Ar+(угол падения 5° от нормали) и 0.55 и 1.1 ат/ион для Si и SiO2, соответственно, прибомбардировке ионами N2+.
Коэффициент распыления SiO2 ионами азота в 1.75 большекоэффициента распыления Si. Если учесть, что энергия связи атомов в SiO2 почти в двараза больше чем в Si, а плотности атомов в Si и термическом SiO2 достаточно близки, тообъяснить полученные данные в рамках каскадной модели распыления не представляетсявозможным.
В то же время характер угловой зависимости коэффициента распыления(рис.5) как для N2+, так и Ar+ ионной бомбардировки соответствует каскадному механизмураспыления (Y∼cos-nθ , n≈2.3).С помощью РЭОС установлено, что облучение образцов ионами Ar+ и N2+ изменяетсостав поверхности SiO2 до SiO1.67 и SiO1.7N0.4, соответственно.
Причем он слабо зависитот угла падения пучка. Спектральная линия N1s, полученная с помощью РФЭСпредставляет собой сумму двух ярко выраженных пиков (рис.6). Первый соответствуетсвязанному азоту в SiOxNy (положение пика ∼397 эВ, концентрация ∼80%), а второй N-Nпаре (∼402 эВ). Уменьшение концентрации кислорода в приповерхностном слоеобусловлено преимущественным распылением более легкой компоненты соединения.Анализ имеющихся литературных данных показывает, что превышение кремния вего оксиде или нитриде более, чем на 10% от стехиометрического состава, приводит квыделению сверхстихиометрического кремния в отдельную чисто кремниевую фазу.Таким образом, измерения состава поверхности показывают, что модифицированныйионной бомбардировкой слой представляет собой диоксид или оксинитрид (в случае N2+облучения) кремния с включением кластеров кремния и молекулярного азота.Масс-спектрометрическоеисследованиеостаточнойатмосферывблизиповерхности образца позволило отметить повышение пиков с массой 44 а.е.м.
прираспылении SiO2 ионами Ar+ и N2+ и 30 а.е.м. в случае бомбардировки пучком ионов N2+.21Рис.5 Угловая зависимость коэффициентовраспыления SiO2 пучком ионов Ar+ (―○―) иРис.6. Фотоэлектронная спектральнаялиния N1s имплантированного в SiO2 азота2.3N2+ (―□―); -------- Y=cos – θСпециально проведенное исследование позволило идентифицировать эти пики SiO (44а.е.м.) и NO (30 а.е.м.).Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод о наличии, вдополнение к каскадному механизму, химического канала в распылении диоксидакремния ионами азота и аргона. Он заключается в протекании в приповерхностном слоехимических реакций, в результате которых происходит образование и последующемвысвобождении газовых молекул SiO(г) и NO(г) (случай N2+ бомбардировки) с энергиями,соответствующими температуре образца.
Выполненный термодинамический расчетхимического равновесия показал, что наиболее вероятными являются реакции:Si + SiO2 → 2SiO(г) и 2SiO2 + N2 → 2SiO(г) + 2NO(г)Приведенныеэлектроннойирезультаты анализа состава поверхности с помощью оже-фотоэлектроннойспектроскопииуказываютнаналичиевприповерхностном слое необходимых реагентов для этих реакций – свободного кремнияи молекулярного азота.Обобщение полученных результатов позволило заключить, что механизмраспыления диоксида кремния ионами химически активного азота и инертного аргона,включает в себя как физический (каскадный), так и химический механизмы.
Наряду скаскадами соударений, в приповерхностном слое происходит образование газовыхмолекул, которые слабо связаны с поверхностью. Их эмиссия начинается после22установления стационарного режима распыления, т.е. после удаления слоя толщиной,сравнимой с проективным пробегом ионов.Анализприповерхностногослоякремния,распыляемогоионамиазота,выполненный методами ВИМС, РЭОС, РФЭС и ИКФС, позволил установить следующиезакономерности.Полученные результаты послойного ВИМС анализа показывают, что при углахпадения θ<40° концентрация азота в приповерхностном слое кремния составляетnN=5.8⋅1022 см-3 и соответствует содержанию азота в стехиометрическом Si3N4.Толщина модифицированного слоя, определялась из кривых nN(d), как глубина dN, накоторой концентрация азота уменьшается в два раза от значения на поверхности.Величина dN является функцией энергии ионов N2+и угла падения.
При увеличенииугла падения происходит уменьшение толщины модифицированного слоя. При θ>40°изменяется форма профилей nN(d), и концентрация азота в приповерхностном слоестановится меньше, чем в стехиометрическом нитриде кремния, что объясняетсяростом коэффициента распыления и увеличением его вклада в процесс формированиянитридного слоя (рис. 7).Исследование угловой зависимости состава поверхности методом РЭОСпоказало, что при углах падения θ≤35° состав приповерхностного слоя практически неизменяется и соответствует нитриду кремния (Si3N4) с избыточным содержаниемазота.
Облучение Si пучком ионов N2+ при углах падения θ>35° формируетповерхностный слой с избыточным содержанием кремния (рис.8).Рис.7. Послойные профили распределенияN в приповерхностном слое Si, облученного пучком ионов 9 кэВ N2+ при углахпадения 20° (1), 45° (2) и 70° (3).Рис.8. Угловая зависимость составаповерхности Si, облученного ионами- 9 кэВ.N2+ с энергией: Ο - 1.5 кэВ;23Исследования процесса формирования нитридного слоя в кремнии, выполненныес помощью ИКФС, показали, что, начиная с доз 2⋅1015 ион/cм2, в спектрах появляютсядва слабых пика при ν~1000 и 770 см-1, которые соответствуют поглощениюмолекулы N2. С увеличением дозы облучения начинается формирование полосыпоглощения с максимумами в области 820 см -1 и 500 см -1 , свидетельствующие обобразовании в приповерхностном слое нитрида кремния.
При этом увеличиваютсяамплитуда и площадь полосы поглощения 820 см -1 , что указывает на рост числа Si-Nсвязей. Рост концентрации имплантированного азота сопровождается изменениемформы линии. Вплоть до доз 1017 ион/см2 при нормальном падении пучка полосапоглощения,соответствующаяаморфномунитридукремния,имеетсложнуюструктуру и включает дополнительные линии поглощения в области ν~1000-900 см-1,которые более выражены в случае бомбардировки поверхности ионами с меньшимиэнергиями. При увеличении угла падения ионного пучка происходит уменьшениетолщинымодифицированногослояиконцентрациивнедренногоазота.Этосопровождается уменьшением амплитуды полосы поглощения и изменением формылинии, которые в случае наклонного падения содержат ярко выраженные особенностипри ν ~ 1000-900 см-1 (рис.9).Исходя из механизма ИК поглощения нитрида кремния, можно заключить, чтоприконцентрацииазота,меньшезначения,необходимогодляобразованиястехиометрического Si3N4, модифицированный слой представляет собой смесьаморфизованного кремния и нитрида кремния.
Как видно из рис.9 включения Si3N4Рис.9. ИК Фурье спектр поглощения кремния, облученногоионами N2+ с энергией 9 кэВ приуглах падения 20° (1) и 70° (2).Доза облучения 5⋅1017 ион⋅см-2.24присутствуют вблизи поверхности при углах падения 70°, когда концентрация азотана порядок меньше, необходимой для формирования стехиометрического нитридакремния.Существование нитридной фазы в модифицированном слое кремния принаклонном падении пучка ионов азота (θ=45°) подтверждается также анализомповерхности методом РФЭС. Проведенные измерения показали, что положение пикаN1s (396.2 эВ) соответствует положению линии N1s в Si3N4.
Положение и ширина пикаSi2p после бомбардировки поверхности ионами Ar+ принимают значения 98.5 эВ и 1.7эВ, соответственно. Облучение образца ионами N2+ приводит к смещению пика Si2p на∼1 эВ и уширению до ∼4 эВ за счет его высокоэнергетичной части. Разложениеспектральной линии показывает, что она может быть представлена в виде суммы двухпиков с положениями максимумов 98.5 и 100 эВ, ширина каждого из которых непревышает 2 эВ, с приблизительно равными площадями.
Первый из них соответствуетхимически не связанным атомам Si, а второй – атомам Si в Si3N4. Таким образом, можнопредположить, что при данных условиях бомбардировки, приповерхностный слойпредставляет собой смесь Si и Si3N4.На основании результатов анализа поверхности кремния, облученного ионамиазота, можно заключить, что приповерхностный слой построен следующим образом. Наглубинах d от поверхности, где nN соответствует стехиометрическому Si3N4,формируется слой аморфного нитрида кремния, который при меньших nN переходит вобласть аморфного кремния с включениями Si3N4. При бомбардировке поверхности приθ≥35° приповерхностный слой представляется смесью кластеров аморфных Si и Si3N4.Причем доля кремния увеличивается с ростом угла падения.Выполненное изучение модифицированного слоя Si, позволило установить иобъяснить различия в распылении кремния ионами азота и аргона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
