Процессы при ионном распылении поверхности твердых тел и энерго-масс-спектрометрия вторичных ионов (1104334), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Суть этого метода продемонстрируем на примеретонкопленочной системы InxAsyOz/InAs. В соответствии со справочнымиданными в состав оксидных пленок на InAs входят следующие соединенияиндия (рядом в скобках указаны теплоты их образования ΔG вккал·моль-1): In203 (203), InAsO4 (140), In2O (18,9), InО (23), InAs (12,5).Таким образом, в состав оксидной пленки входят 2 соединения индия свеличиной ΔG большей 100 ккал/моль (с сильной связью) и 3 соединенияиндия с величиной ΔG меньшей 100 ккал/моль (со слабой связью).Нашими экспериментами и работами других авторов установлено, чтовеличина наиболее вероятной энергии Еm в ЭСВИ при распылениигомогенных соединений пропорциональна ΔG этих соединений.
Оксидныепленки на полированных образцах InAs получали анодным26оксидированием. Толщина пленки оксида составляла ~1200 Å.Эксперимент был повторен 5 раз. Результаты состоят в следующем. Прираспылении верхнего слоя оксидной пленки выявлен сложный спектр массв состав которого, в частности, входят линии, ионов In+, As+, In3О+, In2О3+,InО+,InОН+,In2AsО+,In2AsО2+соответствующие,очевидно,перечисленным выше соединениям.
На рис.8 а приведены 4 из 20энергетических спектра вторичных ионов In+, полученных при послойномраспылении образцов на разных глубинах от поверхности. Кривая 1 наданном рисунке соответствует распылению самого верхнего слоя оксиднойпленки, 2 – распылению объема пленки; 3 – соответствует моменту, когдазондирующий пучок вышел на подложку; 4 – ситуация, когда оксид наповерхности InAs сохранился лишь в виде островков (островки, каждый ввиде разноцветной мозаики, наблюдались с помощью оптическогомикроскопа МИМ-7 после выемки образцов из аналитической камеры).Сопоставляя ряд энергий пиков, наблюдаемых в ЭСВИ, с рядом ΔG ианализируя поведение интенсивностей пиков в ЭСВИ в зависимости отвремени распыления (рис.8 б), легко понять, что пик в ЭСВИ в районе 0–Рис.8.
Зависимости ЭСВИ In+ (а) и интенсивностей отдельных пиков в ЭСВИ In+(б) от времени распыления при послойном распылении оксидной пленки на InAsтолщиной 1200 Å.а: 1– верхний слой пленки, 2 – объем пленки, 3 – зондирующий пучок вышел наподложку, 4 – оксид в виде островков.б: 1 – пики ионов из окислов с сильной связью (~50–60 и ~80–85) эВ), 2 – пик изокислов со слабой связью (~10 эВ); 3 – пик ионов из InAs (~30 эВ).2710 эВ обусловлен ионами из окислов со слабой связью, пик при энергии~30 эВ – ионами из InAs, "зубчатый купол" в районе 50–80 эВ – ионами изокислов с сильной связью.На рис.8 б показаны кинетики указанных пиков в процессе распыления,которые характеризуют распределение соответствующих химическихсоединений по глубине от поверхности образца.
Аналогичнозависимостям, представленным на рис.8 б , ведут себя интенсивностинекоторых массовых линий, не показанных на рисунке: аналогично кривой1 изменяются интенсивности линий ионов In3О+, In2AsО+, In2AsО2+;подобно кривой 2 изменяются интенсивности линий InО+, InОН+, послевыхода зондирующего пучка на подложку (а кривой 3 рис.8 б на плато приd>1300Å); в спектре масс появляются или значительно возрастаютинтенсивности линий, соответствующих ионам In2, In3+, InAs+, In2As+. Посовокупности представленных данных установлено: преимущественнопленка содержит окислы с сильной связью, лишь в глубине пленки нарасстояниях ~200 Å от поверхности и от подложки содержатся окислы сослабой связью.
Этот вывод подтверждается результатами работ другихавторов, в которых показано, что формирование оксидной пленки на InAsначинается с образования окислов с сильной связью. Подобные результатыполучены нами для других гетерогенных систем.Таким образом, по особенностям в ЭСВИ при указанных в главе 3экспериментальных условиях возможны исследования распределенийхимического и фазового состава в приповерхностных слоях гетерогенныхсистем.Изотопные эффекты во вторичной ионной эмиссии ифизико-химических воздействиях на поверхностьОбнаружение изотопного эффекта (ИЭ) в распылении и вторичнойионной эмиссии относят к 1977 году, когда было замечено обогащениеоблака распыленных ионизованных частиц легкими изотопами.
Вскоребыло установлено, что степень этого обогащения зависит от атомногономера элемента; от матрицы, в которой элемент находится; от скоростиионов. Результаты экспериментальных исследований ИЭ в ЭСВИпредставляются, как правило, в виде зависимостей fLH(E)=N+L(E)/N+H(E),где N+L(E) и N+H(E) – энергетические спектры вторичных ионов легкого итяжелого изотопов. Исследования показали, что функция fLH(E) вдиапазоне Е от 0 до 80 эВ имеет пик или плато при разных энергиях дляразных металлов (пример на рис.9).
Целью наших исследований ИЭ вовторичной ионной эмиссии и других процессах, протекающих привоздействиях на поверхность, являлось углубление представлений омеханизмах ИЭ при различных воздействиях на поверхность.28Внастоящеевремянаиболее надежно исследованными экспериментальнымизакономерностями ИЭ вовторичной ионной эмиссииявляются следующие: бóльшая вероятность ионизацииатома легкого изотопа посравнению с тяжелым иобратная зависимость величины эффекта от массы в рядуэлементов. Указанные закономерности сопоставлены сзакономерностями ИЭ при:отражении ионных пучков отповерхности; взаимодействииповерхности с химическиактивными растворами; приионной имплантации; принасыщенииРис.9.Зависимостьотношения водородномпритермоинтенсивностей массовых линии ионов металлов;92100изотопов молибдена Mo и Mo от их диффузииизвнешнегоэнергии:источника; при термическом1 – стандартное изотопное отношение,и радиационном отжиге.2 – из работы [3], 3 – наши измерения.Всеэтиэффектывнастоящее время до конца неизучены, но в них есть общие черты, которые позволяют говорить об ихобщности с точки зрения физического механизма.
Установлено, что впроцессах, когда происходит обмен атомами между поверхностьютвердого тела и внешней средой (во вторичной ионной эмиссии, прирассеянии ионов от поверхности, при взаимодействии с химическиактивными жидкостями) изотопный эффект обусловлен изотопнымсмещениемвалентныхуровнейатомов-изотопов.Величиныперечисленных эффектов в ряде случаев настолько велики, что при ясномпонимании их механизма они могут стать основой технологий получениямоноизотопных или обогащенных определенным изотопом поверхностей.Глава 5. Теоретическое описание ЭСВИАнализ работ, посвященных теоретическому описанию ЭСВИ исобственных попыток описать ЭСВИ путем комбинирования выводовтеорий распыления и моделей ионизации, приводит к выводу обесперспективности попыток найти универсальную функциональную29зависимость параметров ЭСВИ от параметров θ, Ф, А, I путем прямогосочетания известных теорий распыления с определёнными моделямиобразования вторичных ионов (θ – полярный угол вылета, Ф – работавыхода электрона, А – энергия связи распыляемого атома на поверхности, I– потенциал ионизации атома).
Для нахождения такой зависимости намиразработан следующий подход.1. Большинство существующих моделей возбуждения и ионизациивторичных атомов дают зависимость вероятности возбуждения откинетической энергии атома в виде Рвозб.~Еn; значения n в конкретныхмоделях и экспериментах получены следующие: -0,5; 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0;1,25; 1,5. Все они подтверждаются экспериментом.2. Вероятности выживания возбужденного состояния в разныхмоделях описывается соотношением Рвыж. ~ exp(-bi·E-1/2·Cos-1θ), bi –вычисляются в конкретных моделях, i – индекс модели.
Даннаязависимость подтверждается экспериментом.Результаты экспериментальных работ показывают, что невозможносоздать условия для протекания только одного микропроцессаионообразования – всегда есть сопутствующие. Поэтому к интерпретацииэкспериментов, выполненных на типичных современных установках поисследованию ЭСВИ, необходимо подходить с позиций обобщения всехизвестных механизмов. Такое обобщение на основе теории вероятностейдает для описания вероятности вылета одного вторичного иона внаправлении θ с энергией Е в расчёте на один падающий ион выражениеα + ( E ,θ ) = P ( E ,θ ) ⋅ P возб .
⋅ Р выж. , здесь P(E, θ) – энергетический спектрвторичных атомов в направлении θ. На основе этого соотношения ииспользования известных экспериментальных зависимостей и выводовмоделей для описания спектра вторичных ионов при распылениигомогенных материалов автором получено соотношение:⎛ ( I − Ф) ⎞dN +A ⋅ E m ⋅ cos θ=K⋅⋅ exp ⎜ − 1/ 2⎟,(5)3dEdθ( A+ E)⎝ E ⋅ cos θ ⎠где K – нормировочная константа. Параметр m=n+1 в (5), в силуразнообразия значений, которые может принимать n (см.
выше)необходимо рассматривать как подгоночный параметр c ограниченнойобластью допустимых значений. Проверка показывает, что выражение (5)с надлежащим образом подобранной величиной n, и справочных значенияхI, A, Ф описывает с точностью не хуже 10% по спектру практически всеимеющиесявлитературеэкспериментальныерезультатыпометаллическим мишеням.
Кроме того (5) качественно, а часто иколичественно верно описывает закономерности изменения параметровЭСВИ от I, A, Ф, θ.В случае распыления гомогенных диэлектриков аналог формулы (5)записывается в одном из вариантов:30⎡ E + 2 (Ф − X ) ⎤⎡ E +Ф − I ⎤dN +m= К1 ⋅ E m ⋅ exp ⎢ −КEexp=⋅⋅⎢−⎥,⎥1dEEEсвсв⎣⎦⎣⎦(6)здесь Есв – энергия связи атома в кристаллической решетке, K1 –нормировочная константа, m – подгоночный параметр, X –электроотрицательность, I=2X–Ф – потенциал ионизации.В случае распыления гетерогенных мишеней соотношения (5), (6)обобщаются на основе соотношения (принцип суперпозиции):q⎛ dN ⎞⎛ dN ⎞⎜⎟ = ∑ Bi ⋅ ⎜⎟⎝ dE ⎠ Σ i =1⎝ dE ⎠ i(7)здесь q – число одновременно распыляемых компонент мишени, Bi –численные коэффициенты, зависящие от концентрации μi элемента (ионкоторого анализируется) в i-ой компоненте.
Величины Bi зависят, крометого, от величин распыляемых площадей поверхностей σi гомогенныхкомпонент в момент получения суммарного ЭСВИ (dN/dE)Σ. В случаегетерогенной мишени с металлическими свойствами на основе (5) и (7):q⎛ dN ( E , θ ) ⎞Ai ⋅ E ni +1 ⋅ cos θI −Ф ⎞⎛B=⋅⋅ exp ⎜ − 1/ 2 i ⎟(8)⎜⎟ ∑ i3⎝ E ⋅ cos θ ⎠( Ai + E )⎝ dEdθ ⎠Σ i =1BЕсли мишень содержит только две компоненты, то В1 и B2 связаныσ ⋅μBследующим очевидным соотношением: 1 = 1 1 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
