Процессы при ионном распылении поверхности твердых тел и энерго-масс-спектрометрия вторичных ионов (1104334), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Тонкопленочных систем (совместно с НИИ "Дельта", г. Москва;Сибирским Физико-техническим институтом, г. Томск; НИИ полупроводниковой промышленности, г. Томск; Томским университетомсистем управления и радиоэлектроники).2. Жидкостной очистки поверхности технологических пластин кремнияэлектрохимически активированными растворами серной кислоты(совместно с кафедрой аналитической химии ТПУ, г. Томск и НИИмолекулярной электроники, г. Зеленоград).3. Получения дисперсных материалов в импульсной плазме (совместно сМосковским государственным институтом стали и сплавов, г. Москва).4. Целенаправленной модификации поверхности путем радиационныхвоздействий (совместно с НИИЯФ при ТПУ, г.
Томск; ОмГУ, г. Омск;ИФПМ РАН, г. Томск).5. Водородного насыщения материалов (Кафедра общей физики Томскогополитехнического университета, г. Томск).Результаты выполненной работы используются в учебном процессе припреподавании специальных и общепрофессиональных дисциплинстудентам и магистрантам факультета естественных наук и математикиТомского политехнического университета, специализирующимся внаправлении "Физика конденсированного состояния". Результатыисследований использованы при написании учебных пособий, разработкелабораторных работ и практических занятий.Положения, выносимые на защиту1. Модельвозбужденияраспыленныхатомовповерхностнымиплазмонами.2. Модель возбуждения атомов в каскаде атомных столкновений.3. Методика расчета энергетических спектров вторичных ионов прираспылении гомо- и гетерогенных мишеней.4.
Способ решения обратной задачи спектроскопии энергетическихраспределений вторичных ионов при распылении гетерогенныхматериалов.5. Методика эксперимента и способ послойного анализа химического ифазового состава приповерхностных слоев гетерогенных материалов.Личный вклад автора состоит в следующем: постановке цели и задач;разработке представлений и моделей возбуждения вторичных атомовповерхностными плазмонами и в каскадах атомных столкновений;создании установки для энерго-масс-спектрометрии вторичных ионов;постановке экспериментальных методик исследования энергетическихспектров вторичных ионов; получении, обработке и интерпретации8экспериментальных и расчетных результатов; написании статей и заявокна изобретения и патенты.Апробация работыОсновные результаты работы были доложены и обсуждены наследующих конференциях, совещаниях и семинарах:XII и XVII Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействиязаряженных частиц с кристаллами (Москва, 1982, 1987); ХХIVМежнациональном совещания по физике взаимодействия заряженныхчастиц с кристаллами (Москва, 1994); Всесоюзном семинаре “Диагностикаповерхности ионными пучками” (Запорожье, 1983); VII Всесоюзнойконференции "Взаимодействие атомных частиц с твёрдым телом" (Минск,1984); ХIХ Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике(Ташкент, 1984); I научно-практической конференции памяти академикаЛ.В.
Киренского (Красноярск, 1985); 7-th International Conference "IonBeam Analysis" (Berlin, 1985); Всесоюзного совещания "Диагностикаповерхности ионными пучками" (Ужгород, 1985); 2-й Всесоюзнойконференции "Квантовая химия и спектроскопия твердого тела"(Свердловск, 1986); V региональной конференции "Молодые учёные испециалисты ускорению научно-технического прогресса" (Томск, 1986);ХIII, IХ Всесоюзных конференциях "Взаимодействие атомных частиц ствердым телом" (Звенигород, 1987, 1989); II-й Всесоюзной конференции"Физика окисных пленок" (Петрозаводск, 1987); V, VI Всесоюзныхсеминарах по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков,1988, 1991); I Всесоюзной конференции "Модификация свойствконструкционных материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1988);Всесоюзном совещании-семинаре "Диагностика поверхности ионнымипучками" (Москва, 1990); VII Всесоюзном симпозиуме по растровойэлектронной микроскопии и аналитическим методам исследованиятвердых тел (Москва, 1991); Х Всесоюзной конференции "Взаимодействиеионов с поверхностью" (Звенигород, 1991); Международной конференции"Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды"(Томск, 1995); V-й конференции "Аналитика Сибири и Дальнего Востока"(Новосибирск, 1996); 7-th International Conference on Cold Fusion(Vancouver, 1998); Rassian-Korean International Symposium on Science andTechnology (Toмск, 1998); XV–XVII Международных конференциях "IonSurface Interaction" (Звенигород, 2001, 2003, 2005); XXVII–ХХХIIМеждународных конференциях по физике взаимодействия заряженныхчастиц с кристаллами (Москва, 1998, 1999, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005,2006).9ПубликацииПо теме диссертации опубликовано более 80 работ, в том числе 28статей в реферируемых отечественных и зарубежных изданиях, 14докладов в трудах международных конференций, получено 2 авторскихсвидетельства на изобретения и 1 патент.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, 6 глав с выводами по каждой,заключения, списка литературы.
Объем работы: страниц – 321, рисунков –94, таблиц – 9, список литературы из 331 наименования.Содержание работыГлава 1. Современное состояние исследований процессов привзаимодействии ускоренных ионов с поверхностью твердых тел.Проанализированы основные положения и выводы теорий,используемых в ионно-спектроскопических методах анализа поверхностии, в частности, в энерго-масс-спектрометрии вторичных ионов:– атомных столкновений;– прохождения атомных частиц через вещество;– ионного распыления поверхности;– взаимодействия атомных частиц с поверхностью;– возбуждения и ионизации вторичных атомных частиц.Особое внимание уделено теории ионного распыления, котораяявляется основой не только энерго-масс-сектрометрии вторичных ионов,но и послойного анализа многими другими методами.Дана общая классификация типов и процессов ионного распыления иклассификация этих процессов по времени их протекания.Проанализированы модели механизмов распыления путем каскадоватомных столкновений, электронных процессов, химических реакций,возникновения тепловых пиков, кулоновского взрыва, ударной волны.Проанализированыособенностираспылениямногокомпонентныхмишеней и методы компьютерного моделирование процессов распыления.Приведены расчетные формулы для энергетических и угловыхраспределений, полученные в линейной каскадной теории распыления П.Зигмунда (P.
Sigmund) и теории Розендаля–Сандерса (Roosendaal H.E.,Sanders J.B.).Проведеносравнениетеоретическихиэкспериментальныхэнергетических спектров вторичных атомов.10Сделан вывод о хорошей развитости теории ионного распыления дляметаллов и материалов по свойствам близким к металлам, позволяющей вомногих случаях предсказать величину коэффициента распыления иописать вид энергетического спектра вторичных атомов. Хорошо развитокомпьютерное моделирование процессов ионного распыления, при этомнаиболее полно соответствуют эксперименту те программы, которыеоснованы на представлениях о каскадах атомных столкновений.Глава 2. Возбуждение и ионизация вторичных атомовСистематизированы и классифицированы по областям пространствамеханизмы ионизации вторичных атомов.
Пространство, в которомпротекают процессы, ответственные за ионообразование, разделено на 4области (рис.1): А – приповерхностная область твердого тела, в которойразвивается каскад столкно-вений; Б – поверхность (под термином"поверхность"вданномразделе будем подразумеватьплоскость, проходящую черезцентрыравновесияядервнешнего атомного слоя); В –приповерхностнаяобластьвакуума (~10 Å); Г – вакуум.Вторичные атомы движутсяпоследовательно через области А – Г.
В каждой изобластей они испытываютразличные по конфигурацииэлектромагнитныевоздействиясостороныокружения. Эти воздействиямогут приводить к изменениюсостояний, в котором атомРис.1. Схема характерных областей протекания находится в определенныйпроцессов ионообразования.момент времени.
Процессионообразования включает несколько стадий, каждая из которых состоитиз микропроцессов, существенно различных в каждой из областей А–Г.Укажем существенные для микропроцессов особенности областей А–Г.Область А: возможны возбуждения атомов в результате неупругих атом–атомных и электрон–атомных взаимодействий.Область Б: ветвь каскада столкновений выходит на поверхность, возможновозбуждение в результате последнего парного взаимодействия.11Область В: в результате электронного взаимодействия междуповерхностью и отлетающей частицей возможно изменение состоянияпоследней.Область Г: атом ни с чем не взаимодействует, однако возможенспонтанный распад возбужденных состояний атомов ионов, а также развалкластерных и молекулярных ионов с образованием моноатомныхвозбужденных и ионизованных частиц.Классифицированы микропроцессы, приводящие к изменениюсостояния атома в каждой из выделенных областей.
Оказываетсявозможным выделить около 20 таких микропроцессов.Проанализированы физические представления и математическийаппарат моделей электронного обмена между отлетающим атомом иповерхностью, обобщающих процессы в области В.Проанализированы физические представления и математическийаппарат моделей разрыва связей.Систематизированыпредставления,используемыепритермодинамическом подходе к описанию возбуждения и ионизациивторичных атомов. Выделено 3 направления, развивающихся в рамкахтермодинамическогоподхода,которыеразличаютсядеталямииспользуемых представлений.В рамках одного из этих направлений, на основании известнойэмпирической зависимости степени ионизации вторичных ионов α+ от ихпотенциала ионизации I и энергии атомизации D0, предложена лучшая изимеющихся формула в плане её использования для количественногоанализа методом масс-спектрометрии вторичных ионов [1]:α+ =⎛ IgiD ⎞⋅ exp ⎜ −+ 0 ⎟,ga⎝ kTe kTa ⎠(1)где Та и Те – соответственно, температура атомизации распыляемоговещества и ионизации регистрируемого атома.
Соотношение (1)эквивалентно соотношению для функции распределения атомов поэнергетическим состояниям εn:⎛ εD ⎞f n = f 0 ⋅ exp ⎜ − n + 0 ⎟ ,⎝ kTe kTa ⎠(1*)Функции распределения с двумя температурными параметрами, ранееполучены на основании решений кинетических уравнений для функциираспределения в неравновесных условиях. Так функция распределениявида:⎛ nE nE − En ⎞f n′ = f 0′ ⋅ exp ⎜ − 1 + 1⎟,kTt ⎠⎝ kTk(2)12получившая название распределения Тринора, широко используется дляописания населенностей уровней молекул в неравновесном газе молекул.Распределение(2)предполагаетрассмотрениесовокупностиэнергетических уровней молекул, как самостоятельной подсистемы стемпературой Тк, находящейся в термостате, в качестве котороговыступает газ молекул как целое с температурой Тt.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
