Диссертация (1105295), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Регулятором баланса зарядов выступает во всех случаях ток IRIC, который возникает, как было сказано выше, при достижении внутренним полем (между Q- и Q+ слоями зарядов) критического значения Fin = Fcr.E0 ≥ E2. Здесь в начальный момент времени облучения σ ≤ 1 исразу начинается отрицательная зарядка. И даже если σ = 1, товследствие того, что R0(E2) > λэф, происходит накопление отрицательного заряда (Q- > Q+) и соответственно возрастание потенциала -Vs. Одновременно R0 уменьшается (см. рис. 3.13), т.к.112iv)уменьшается EL = E0 - qVs, возрастает поле Fin, происходит растекание зарядов, время которого τ2 много больше начального времени τ1 заполнения ловушечных центров в исходном объеме облучения. И опять же стабилизирующим фактором выступает полеFin = Fcr , ограничивающее рост Vs и приводящее в конечном итоге к состоянию равновесия всех процессов зарядки.Как положительная, так и отрицательная зарядки происходят призначениях σ близких к единице, а результирующий потенциалопределяется плотностью облучающего тока, плотностью ловушек, внутренним полем и “псевдо-Малтер“ эффектом.§ 3.5 Особенности зарядки дилектрических мишеней, предварительно облучённых ионами и электронами3.5.1 Постановка задачи, решаемые проблемыСфокусированные пучки электронов и ионов в последнее время широко используются в различных технологических процессах в микро- и наноэлектронике, а также современных методах анализа.
В этой связи в последние годы проводятся обширные исследования механизмов зарядки диэлектрических компонент образцов при электронном и ионном облучении. Но если явление зарядки электронными пучками достаточно хорошо изучено [см.предыдущие параграфы], то проблемам зарядки диэлектрических мишенейпод воздействием ионной бомбардировки до настоящего времени посвященылишь единичные работы [162-165]. Также лишь в отдельных работах былопроведено исследование процессов электронной зарядки диэлектрическихсред после их предварительного облучения ионными и электронными пучками [166, 167].Информация, изложенная в указанных статьях, носит отрывочный характер, в них представлены, как правило, результаты первых экспериментовпо рассматриваемой тематике.
Так в работе [162] впервые изучалась зарядкаSiO2 при облучении ионами He+ c энергией 1 - 4 кэВ, и было показано, чтопри возрастании дозы облучения ионами вначале приобретается отрицательный потенциал (до-50 В), затем – проходит нулевое значение, послечего возрастает до равновесной величины от +25 до +50 В в зависимости отэнергии бомбардирующих ионов. Оказалось, что при возрастании энергииHe+ положительный потенциал зарядки уменьшается. Но эта интересная работа поставила больше вопросов, чем дала ответов.Ионно-индуцированная зарядка тонких пленок SiO2, конденсированных пленок инертных газов, а также алмаза, происходящая при бомбардировке ионами Ar+, Ga+, протонами с энергией в единицы кэВ, также показали113положительную зарядку диэлектриков до единиц и десятков вольт [163-166].Неожиданное явление скачкообразного характера процесса зарядки алмазапосле ионной бомбардировки (Ar+) различными дозами обнаружено в работе[166].
Измерения, проведённые по сдвигу Оже-пиков, показали, что приэнергии облучающих электронов1 кэВ происходит отрицательная зарядка до-170 В, затем значение отрицательного потенциала постепенноуменьшается до 0. Такой реверсивный характер процесса зарядки авторыобъясняют тем, что при определенной (критической) дозе ионного облучения2∙1015 ионов∙см-2 происходит почти скачкообразная трансформация структуры алмаза в графитоподобную. В работе [167] впервые исследовалось влияние предварительной бомбардировки сапфира ионами Ar+ с энергией 10 кэВпри дозах облучения 1018 - 1019 см-2. Указанные дозы настолько велики, чтозначительно видоизменяли поверхностный микрорельеф кристалла, вследствие чего происходило снижение коэффициента вторичной электронной эмиссии.
Но в настоящей работе установлено, что указанная причина не являетсяединственной (и даже доминирующей), ответственной за особенности кинетики зарядки сапфира.При бомбардировке поверхности оксидов ионами низких энергий может происходить целый ряд различных процессов, таких как распыление поверхности, внедрение (имплантация) ионов, радиационное дефектообразование, изменение кристаллической структуры, развитие поверхностного рельефа [168].
Эксперименты по ионному распылению оксидов металлов показали, что при бомбардировке ионами низких энергий (< 10 кэВ) многих оксидов наблюдается преимущественное распыление кислорода. Потеря кислорода приводит к образованию на поверхности фазы с меньшей степенью окисления, а в некоторых случаях появлению восстановленной металлическойфазы.
В результате на поверхности оксида формируется тонкий (до 2.5 нм)изменённый слой, по составу отличный от стехиометрического состава исходного диэлектрика [169, 170].Если падающий ион передает в упругом столкновении с атомом поверхности энергию, превышающую пороговую энергию смещения, то в результате генерируется Френкелевская пара дефектов – вакансия и междоузельный атом.
Число создаваемых ионным облучением дефектов пропорционально энергии падающих ионов и дозе ионного облучения. Дефекты вкристалле могут образовываться вплоть до глубины проникновения первичных ионов в кристалл, которая при энергии ионов менее 10 кэВ составляетпорядка нескольких нм. При больших дозах ионного облучения создается такмного дефектов, что происходит аморфизация поверхности, т.е. потеря кристаллической структуры. Необходимым условием аморфизации облучаемой114ионами области кристалла является пространственное разделение в этой области вакансий и междоузельных атомов.
На основании теоретических расчетов критическая концентрация смещённых атомов, необходимая для аморфизации, должна составлять 0.05 – 0.2 атомной плотности кристалла [168,171].В ходе ионной бомбардировки на первоначально плоской поверхностиформируется рельеф – появляется множество впадин и выступов неправильной формы. При небольших дозах облучения не превышающих 1016 см-2, впроцессе распыления под действием ионной бомбардировки возникают поверхностные неоднородности атомного масштаба. При больших дозах наблюдаются микроскопические неоднородности с размерами порядка 10 –1000 нм, образуются ямки травления, конические или пирамидальные выступы, а также волнистые структуры типа «ряби» [168].В отличие от ионного облучения, бомбардировка поверхности твёрдыхтел низкоэнергетическими электронами (с энергиями порядка несколькихкэВ) не может приводить к созданию стабильных Френкелевских пар дефектов за счёт упругих столкновений.
Это связано с тем, что из-за малости массы электрона энергия, передаваемая атому в упругом столкновении, оказывается слишком малой для смещения атома из его положения в кристаллической решётке. Однако экспериментальные данные говорят о том, что даженизкоэнергетические электроны с энергиями несколько десятков эВ способны разрушать поверхность некоторых материалов и создавать в кристаллепары точечных дефектов – вакансии и междоузельные атомы [168-172]. Разрушение поверхности твердого тела низкоэнергетическими электронами получило название электронно-стимулированной десорбции (ЭСД).Для объяснения ЭСД с поверхности оксидов обычно привлекают механизм Кнотека-Фейбельмана (КФ) [171], который был разработан для оксидовс максимальной степенью окисления.
Согласно КФ-модели первичный электрон создаёт вакансию на остовном электронном уровне атома металла, которая может заполняться только за счёт межатомного оже-процесса, поскольку своих свободных электронов у атома металла нет. В результате заполнение остовной дырки сопровождается выходом из валентной зоны одного или двух электронов. Потеряв два или три электрона, ион О 2- становитсянейтральной частицей О0 или положительным ионом О+ и может десорбироваться за счёт кулоновского отталкивания.Таким образом, при ионной и электронной бомбардировке диэлектрикапроисходит радиационно-стимулированная модификация поверхности.
Изменяются как структура, так и электрофизические свойства, в том числе изменяются характеристики зарядки предварительно облученных мишеней115электронами средних энергий. Более детальному исследованию этого малоизученного явления посвящена настоящая работа. Обнаружен ряд специфических особенностей в кинетике зарядки диэлектриков, которые не былиописаны в известных нам предыдущих работах.3.5.2 Образцы и методика экспериментовИсследовались два классических диэлектрика – монокристаллы Al2O3(сапфир) и SiO2.
Размеры исследованных пластин составляли 10×10×1 мм.Образцы предварительно облучались различными дозами ионных пучковAr+ и электронами с энергией 1 кэВ в высоком вакууме (10-8 Торр). Изменения морфологии поверхности после проведённой бомбардировки пучкамизаряженных частиц наблюдались с помощью атомно-силового микроскопа.На рис. 3.15 приводятся типичные изображения рельефа поверхности сапфира после облучения ионами Ar+ с дозой 1017 см-2 (рис.
3.15,б) и электронами с дозой 2·1020 см-2 (рис.3.15,в). В обоих случаях видна структура образовавшейся в результате облучения островковой плёнки. Рост плёнок происходит в результате десорбции кислорода при бомбардировке Al2O3, прикоторой наблюдается частичная металлизация поверхности за счёт формирования на ней островков алюминия, имеющих размеры порядка 50-70 нм[172]. Как будет показано ниже, образование островковой плёнки и частичная аморфизация поверхности играют большую роль в зарядке диэлектрика,но проявляют весьма существенные различия между SiO2 и Al2O3.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
