Диссертация (1105295), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Различный характер для указанных образцов проявляют и зависимости коэффициентов ВЭ σ, а также токов смещения IL+D (см. рис. 3.21). Если после ионной бомбардировки зависимостиσ(t) (графики 1 и 2) и IL+D(t) (графики 1′ и 2′) совпадают с аналогичными зависимостями исходного образца SiO2 (рис.
3.21а), то после предварительного электронного облучения эти зависимости разнятся (рис. 3.21б). В последнем случае при низкой величине коэффициента σ(t) (график 2) значениетока смещения (график 2′), определяющего величину аккумулированногозаряда, много больше, чем для исходного образца (график 1′).абРис. 3.21. Сравнение временных зависимостей коэффициента ВЭ σ(t) (графики 1 и2) и тока смещения IL+D(t) (графики 1′ и 2′) для (1) - исходной поверхности SiO2 и (2) предварительно облученной: (а) – ионами; (б) - электронами.3.5.4 Обсуждение результатов исследований предварительно облучённыхмишенейПрежде всего, рассмотрим те изменения на поверхности диэлектрических образцов – оксидов SiO2 и Al2O3, которые происходят под воздействиемионной и электронной бомбардировки.Данные о формировании модифицированного слоя в оксидах кремнияи алюминия при их облучении ионами низких и средних энергий достаточнопротиворечивы.
В ранних работах (см., например [175]) по изучению зако122номерностей преимущественного распыления оксидов не было обнаруженоизменение стехиометрического состава оксидов SiO2 и Al2O3. Однако в болеепоздних работах такое изменение наблюдалось. Автор работы [176] наблюдал при помощи метода электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХА), использующего синхротронное излучение, формирование прибомбардировке ионами Ar+ c энергией 2 кэВ на поверхности SiO2 измененного слоя, содержащего оксид SiOx (x = 1.2). Толщина этого слоя, по оценкамавтора, составляла примерно 0.4-0.9 нм.В работе [177] были проведены систематические исследования радиационных повреждений в SiO2, вызванных облучением ионами Ar+, Ne+ и He+низких энергий (70—500 эВ).
Исследования с помощью метода электроннойоже-спектроскопии (ЭОС) показали, что на поверхности формируется тонкийобедненный кислородом слой, толщина которого оценена как 0.5-0.7 нм.Обеднение поверхности Al2O3 кислородом под действием бомбардировкиионами Ar+ с энергиями 200-2000 эВ также наблюдалось экспериментальнометодом ЭОС в работе [178].Основным механизмом дефектообразования в кристаллах SiO2 и Al2O3при ионной бомбардировке является механизм ударного смещения.
За пороговую энергию образования дефекта по механизму упругого смещения принимают кинетическую энергию, которую бомбардирующая кристалл частицадолжна передать покоящемуся в узле кристаллической решетки атому, чтобыон после столкновения с ней сместился на расстояние, исключающее принизких температурах его рекомбинацию с образовавшимся пустым узлом(вакансией). Для SiO2 энергия смещения для атомов О составляет 16.5 эВ, адля атомов Si - 33 эВ. Экспериментальные оценки для кристалла Al2O3, приведённые в работе [179], дали 50 и 100 эВ соответственно для атомов алюминия и кислорода.Дефектообразование в кристалле приводит к созданию в запрещеннойзоне диэлектрика дополнительных уровней, которые могут служить ловушками для электронов и дырок. Обрыв связей в решетке SiO2, например, приводит к созданию уровней в запрещенной зоне, локализованных на 0.8-0.9 эВниже зоны проводимости и, соответственно, выше валентной зоны [165].
Этиуровни служат мелкими ловушками для дырок и электронов. Глубокие ловушки - уровни, лежащие посередине запрещенной зоны – связаны с примесными атомами в кристалле или Si-Si связью в кристаллах, обогащенныхкремнием. В кристалле Al2O3 с вакансией алюминия (VAL) связан глубокийакцепторный уровень, расположенный на 2.6 эВ выше потолка валентной зоны [180]. Энергетический уровень междоузельного атома алюминия (Ali) лежит примерно на 2 эВ ниже зоны проводимости и является глубоким донор123ным уровнем. Кислородные вакансии – F-центры – ассоциированы с уровнями, локализованными в середине запрещенной зоны, и акцепторным уровнемна 1 эВ ниже зоны проводимости, в то время как междоузельные атомы кислорода (Oi) – это глубокие акцепторы с положением в середине запрещённой зоны.Разрушение поверхности оксидов SiO2 и Al2O3 под действием электронной бомбардировки низких энергий (1-3 кэВ) было экспериментальноподтверждено в работе [181].
В результате ЭСД кислорода на поверхностиэтих материалов наблюдалось обеднение кислородом тонкого приповерхностного слоя толщиной 0.5 – 0.7 нм. С помощью метода электронной ожеспектроскопии были оценены сечения процесса ЭСД для SiO2 и Al2O3, которые составили соответственно 10-21 и 10-22 см2. Для кристалла Al2O3 былотакже обнаружено формирование металлических островков алюминия.
Образование на поверхности Al2O3 после бомбардировки низкоэнергетическимиэлектронами островковой металлической плёнки с размерами островков 50 70 нм также наблюдалось в работе [172] с помощью атомно-силовой микроскопии.Для объяснения ЭСД с поверхности оксидов SiO2 и Al2O3 был привлечён механизм Кнотека-Фейбельмана.
Одним из критериев применимостиэтой модели ЭСД является степень ионности соединения, которая для изучаемых кристаллов составляет соответственно 51% для SiO2 и 63% Al2O3, изчего следует, что SiO2 должен быть более радиационно-стойким по сравнению с Al2O3. Однако экспериментально найденное сечение ЭСД для SiO2 напорядок больше, что позволяет предположить существование дополнительного механизма электронно-стимулированной десорбции для SiO2, например,можно привлечь экситонный механизм.Экситонный механизм создания радиационных дефектов за счёт возбуждения электронной подсистемы кристалла был предложен в работах [182,183] для объяснения ЭСД в щелочно-галоидных кристаллах. Согласно этоймодели электронный пучок, падая на поверхность кристалла, возбуждает егоэлектронную подсистему, в результате чего в кристалле формируются электронно-дырочные пары и экситоны.
Эти возбуждения за счёт локального экситон-фононного взаимодействия локализуются, образуя автолокализованные экситоны. Автолокализованный экситон представляет собой электрон идвухгалоидный молекулярный ион, расположенный в двух анионных узлах.Возбуждённое состояние такого автолокализованного экситона нестабильноотносительно сдвига вдоль кристаллографической оси <100>.
В результатеавтолокализованный экситон безызлучательно распадается на Френкелевскую пару: F-центр (анионная вакансия с захваченным электроном) и H124центр (Х-2 молекулярный ион, занимающий анионный узел). Следует отметить, что порог дефектообразования в этой модели оказывается меньше ширины запрещенной зоны. Образование дефектов в SiO2 за счёт электронныхвозбуждений под воздействием электронной бомбардировки экспериментально наблюдалось в работах [184, 185].Таким образом, наблюдаемые в эксперименте необычные кинетические характеристики зарядки кристалла SiO2 электронным зондом, возможно, связаны с модификацией его поверхности и радиационностимулированным дефектообразованием по приведенным здесь механизмамв ходе предварительной ионной и электронной бомбардировки.Рассмотрим детальней особенности зарядки электронным пучком кристалла SiO2, предварительно уже облученного электронами, которые объясняются эффектом рассеяния зарядов.
При предварительной бомбардировкеучастка поверхности SiO2 (диаметр пятна облучения равен 3 мм) электронами с энергией 3 кэВ и дозой 1018 см-2 происходит модификация поверхности,сопровождаемая образованием радиационно-стимулированных дефектов (Е′центров). При этом поверхностное удельное сопротивление на облучённомучастке падает [186, 139, 187]. При проведении измерений кинетики зарядкиSiO2 в СЭМ проводится электронное зондирование площадки 100х100 мкм2 вцентре предварительно облученного электронами пятна диаметром 3 мм.
Нопосле набора определенной дозы облучения и, соответственно, дозы аккумулированных электронов, созданное поле зарядов достигает такого критического значения Fcr, которое достаточно для возникновения прыжковой проводимости электронов по поверхности (по механизму Пула-Френкеля [186188]). В результате электроны быстро «расплываются» из заряжаемого участка 100×100 мкм2 до границ большого, ранее облученного пятна. При этомрост поверхностного потенциала Vs (t ) Qt (t ) C(t ) происходит за более длительное время, чем в случае зарядки исходного образца (см.
рис. 3.20).Оценим эту разницу во времени зарядки следующим образом. Примем,что потенциал Vs в центре однородно заряженного диска диаметром равен[188]:Vs [ V ] Qt ( Кл), (1 r ) 0 a[см](3.33)где 0 = 8.85·10-12 [Ф·м-1], r = 4 (для SiO2).При полном заряде Qt = 0.32 нКл на облучённом диске, диаметром100 мкм, поверхность исходного образца достигает значения равновесного потенциала Vs ≈12 кВ (при E0 15 кэВ) за время 200 с (рис. 3.20а, график 1).125Но при измерениях потенциала, при которых по-прежнему происходит сканирование участка поверхности размером 100х100 мкм2, но расположенногов центре предварительно облученного пятна, наблюдается на порядок величины большее время зарядки (> 2500 с, рис.3.20б, график 2). Это различиеобъясняется, как было сказано выше, эффектом растекания заряда из облученной области , т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
