Процессы при ионном распылении поверхности твердых тел и энерго-масс-спектрометрия вторичных ионов (1104334)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиНИКИТЕНКОВ Николай НиколаевичПРОЦЕССЫ ПРИ ИОННОМ РАСПЫЛЕНИИИПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ЭНЕРГО-МАСССПЕКТРОМЕТРИЯ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВСпециальность01.04.04 –физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени доктора физикоматематических наукМосква – 20072Работа выполнена на кафедре общей физики Томского политехническогоуниверситета.Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессорТюрин Юрий Иванович.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорБеграмбеков Леон Богданович,доктор физико-математических наук, профессорБорисов Анатолий Михайлович,доктор физико-математических наук, профессорУразгильдин Ильдар Фоатович.Ведущая организация: Российский научный центр «КурчатовскийИнститут» (Институт ядерного синтеза), г.

Москва.Защита состоится 24 мая 2007 г. в 16 часов на заседании диссертационногосовета Д 501.001.66 при Московском государственном университете им.М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы,МГУ дом 1, стр. 2, физический факультет, ауд. 5-19.С диссертациейфакультета МГУ.можноознакомитьсявбиблиотекефизическогоАвтореферат разослан ________________2007 г.Ученый секретарьдиссертационного Совета,А.П.

Ершов3Общая характеристика работыАктуальность темыИнтерес к исследованиям процессов при ионном распыленииповерхности твердых тел обусловлен их большим значением в решениитаких актуальных задач науки и технологии как: проблема первой стенкитермоядерного реактора; проблема деградации покрытий космическихлетательных аппаратов; диагностика поверхности с использованиемионных пучков; ионная имплантация с целью получения материалов сзаданными свойствами; рост пленок и процессы травления в плазменныхреакторах и системах с ионными пучками; процессы ионно-лучевойэпитаксии в микроэлектронике и др.Настоящая работа посвящена проблеме исследования (диагностики)поверхности с использованием ионных пучков.

Одним из способов такойдиагностики, позволяющей изучать элементный и химический составповерхности, является анализ состава спектра масс вторичных ионов(атомов, молекул, кластеров, ассоциатов) в ионизованном состоянии,возникающих при распылении поверхности ионами, ускоренными доэнергий 1–10 кэВ. Способ такого анализа (извлечения информации изсостава спектра масс) известен как "вторичная ионная масс-спектрометрия(ВИМС)". В настоящей диссертации впервые систематически исследованывозможности извлечения информации как о химическом и фазовомсоставе, так и о физических характеристиках (энергия связи атома, работавыхода электрона) поверхности и приповерхностных слоев не из составаспектра масс, а из параметров энергетических спектров вторичных ионов(ЭСВИ). Поэтому соответствующий метод анализа можно назвать энергомасс-спектрометрией вторичных ионов (ЭМСВИ).В работе обобщены известные и предложены новые представления опроцессах приводящих к образованию вторичных атомов в возбужденноми ионизованном состоянии при ионном распылении.

Развитый на этойоснове метод комплексного анализа энергетических и массовых спектроввторичных ионов позволяет получать несравненно более полнуюинформацию об элементном, химическом и фазовом составеприповерхностных слоев гомо- и гетерогенных материалов принесравнимо меньших затратах средств и времени на получение единицыинформации, чем ВИМС и многие другие методы.Цели и задачи исследованийЦель работы: исследования физических механизмов возбуждения иионизации вторичных атомов и разработка метода диагностики4поверхности и приповерхностных слоев твердого тела на основе анализаэнергетических спектров вторичных ионов.Для достижения указанной цели в работе ставились и решалисьследующие задачи:1. Систематизация и классификация имеющихся и получение новыхэкспериментальных и теоретических данных о механизмахионообразования при распылении.2.

Разработка физических моделей для расчета вероятностей процессоввозбуждения и ионизации вторичных атомов.3. Создание высоковакуумной установки и разработка методикэкспериментальных исследований энергетических спектров вторичныхионов.4. Создание моделей формирования энергетических спектров вторичныхионов эмитированных из гомо- и гетерогенных материалов.5. Разработка методик извлечения информации о физическиххарактеристиках поверхности и приповерхностных слоев изэнергетических спектров вторичных ионов.6. Применение разработанных методик для решения прикладных задачдиагностики поверхности в научных и технологических целях.Методы и объекты исследованийРабота выполнена с привлечением современных экспериментальныхметодов: Оже-электронной спектроскопии (ОЭС), спектроскопиирезерфордовского обратного рассеяния (POP) и ядер отдачи (ЯО),электронографии на отражение (ЭГО), рентгенофазового анализа (РФА),рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), оптической ирастровой электронной микроскопий (РЭМ), электронно-эмиссионноймикроскопии (ЭЭМ).

Для построения теоретических моделейиспользовались методы квантовой и статистической механик,неравновесной статистической термодинамики.Объектами исследований являлись процессы при взаимодействииускоренных ионов с поверхностью, энергетические спектры вторичныхионов и технологические процессы получения твердотельных материалов сзаданными свойствами.Научная новизна1. Разработана неравновесная статистическая модель возбуждения атомовв каскадах атомных столкновений, основанная на представлениях окаскаде атомных столкновений, как о статистической системе и оквантах возбуждений, как о квазичастицах возникающих в результатенеупругих атом-атомных и электрон-атомных столкновений в каскаде и5живущих в течение времени развития каскада благодаря возможностиэстафетной передачи возбуждений при столкновениях атомов. Расчеты,проведенные в рамках модели, объясняют совокупность следующихэкспериментально полученных величин и фактов: величинухарактерной наиболее вероятной энергии в энергетических спектрахвторичных атомов и ионов; условия перехода от режима линейныхкаскадов к режиму тепловых пиков при распылении; большое числолиний в спектрах ионно-фотонной эмиссии; малую величинуквантового выхода для отдельных переходов в спектрах ионнофотонной эмиссии; общее число возбужденных атомов среди всехраспыленных; зависимости населенности уровня от энергиивозбуждения этого уровня и др.2.

Разработана физическая модель возбуждения атома, движущегосявблизи металлической поверхности, поверхностными плазмонами,основанная на представлениях о сильной связи между дипольнымэлектрическим моментом атома и поляризационным полемповерхностного плазмона над поверхностью. Поляризационное полеиндуцирует электронные переходы в атоме. Переходы в атоме такжемогут возбуждать поверхностные плазмоны. Расчеты в представлениивторичного квантования дают для интегральной вероятностивозбуждения вторичного атома поверхностными плазмонами величину~1. В рамках модели впервые объяснены: 1) корреляции междувеличинами, с одной стороны, потерь энергии электронами приотражении от поверхности металлов и прохождении тонких пленок и, сдругой стороны, энергиями возбуждаемых уровней распыленных иотраженных атомов и ионов; 2) корреляций между величинаминаселенностей энергетических уровней атомов при распылении и припрохождении тонких плёнок.3.

Разработана модель формирования энергетических спектров вторичныхионов при распылении гетерогенных материалов, основанная наобнаруженномавторомэкспериментальномфактелинейнойсуперпозиции энергетических спектров вторичных ионов от отдельныхгомогенных компонент при получении спектра от гетерогенноймишени. На основе этой модели разработан способ анализа послойногораспределения гомогенных компонент в приповерхностных слояхгетерогенных материалов, заключающийся в отслеживании кинетикиособенностей в энергетических спектрах вторичных ионов, связанных сраспылением соответствующих гомогенных компонент при послойномраспылении зондирующим пучком приповерхностной областигетерогенной мишени. Идентификация состава гомогенной компонентывозможна по энергии образования Гиббса соединений, благодаряэкспериментально установленной пропорциональности величииэнергии Гиббса и величины наиболее вероятной энергии в64.5.6.7.энергетическом спектре вторичных ионов при распылении гомогенныхматериалов.Создана высоковакуумная установка для исследований энергетическихи массовых спектров вторичных ионов, разработаны и реализованыметодики экспериментальных исследований.

Основной отличительнойтехнической и методической особенностью установки являетсявозможность выбора геометрии эксперимента в процессе измеренийспектров: углов падения первичных ионов – от 00 до 220, углов отборавторичных ионов – от 330 до 550. Именно в таких пределах указанныхуглов возможно наилучшее разрешение особенностей в структуреэнергетических спектров вторичных ионов при распылениигетерогенных материалов.Сформулирована обратная задача спектроскопии энергетическихраспределений вторичных ионов.

На основе ее решения разработанспособ определения энергии связи атомов (Ai), и работы выходаэлектрона (Фi) для гомогенных компонент в составе гетерогенноймишени, заключающийся в подгонке теоретических спектров кэкспериментальным методом минимизации квадратичного функционалапутем оптимизации теоретических параметров.Установлены закономерности изотопного эффекта (отклонениянаблюдаемыхизотопныхотношенийотприродныхраспространенностей) в энергетических спектрах вторичных ионов:бóльшая вероятность ионизации атома легкого изотопа по сравнению стяжелым; обратная зависимость величины эффекта от массы в рядуэлементов; наличие пика или плато в энергетическом спектреотношения легкого изотопа к тяжелому при разных энергиях дляразныхметаллов.Обнаруженыизотопныеэффектыпри:взаимодействии поверхности с химически активными растворами;ионнойимплантации;водородномнасыщенииматериалов;термодиффузии из внешнего источника; термическом и радиационномотжиге, с помощью которых можно получить моноизотопные илиобогащенные определенным изотопом поверхности.Установлено, что если воздействия на поверхность приводят к обменуатомами между поверхностью и внешней средой (вторичная ионнаяэмиссия, рассеяние ионов от поверхности, ионная имплантация,обработки поверхности химически активными растворами), тоизменение изотопного состава обусловлено изотопным смещениемвалентных уровней атомов.Практическая ценностьРазработанные модели и методики успешно использованы для решениянаучных и технологических задач в области материаловедения, вчастности для разработки и совершенствования следующих технологий:71.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации