Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИШЕНЕЙ ПРИ ЭЛЕКТРОННОМ
ОБЛУЧЕНИИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 10
1.1. Общепринятый подход к описанию зарядки непроводящих
мишеней на основе зависимости коэффициента эмиссии
электронов от энергии первичных электронов 10
1.2. Основные положения образования двухслойного
заряда диэлектрика 16
1.3. Модель самосогласующегося переноса зарядов в облучаемом
электронами диэлектрике 23
1.4. Модельное описание процессов радиационной электризации
диэлектрических компонент в космическом аппарате 35
1.5. Электроразрядные явления при объемном заряжении диэлектрика ... 43
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ЗАРЯДКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ 46
2. 1. Основные ограничения, несоответствия и нерешенные вопросы в
теоретических и экспериментальных результатах предыдущих
исследований зарядки диэлектрических мишеней 46
2. 2. Качественная картина и количественные рассмотрения
процессов зарядки диэлектриков при электронном облучении 52
2. 3. Кинетика и постоянные времени зарядки диэлектриков 62
2. 4 Дипольная модель подавления вторичной эмиссии электронов 67
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ... 74
3.1. Методика измерений и схема эксперимента 74
3. 2 Электронная эмиссия и зарядка природного алмаза при его
облучении электронами средних энергий 80
3.3. Зарядка диэлектрических полимерных пленок, слюды,
защитных стекол 86
3. 4. Влияние электронного облучения на характеристики
МОП-структур микроэлектроники 93
3.5. Зарядка массивных неорганических диэлектриков: окислов, щелочно-
галоидных кристаллов, керамики 102
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 112
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 114
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 116
Введение к работе
Вторично-электронная эмиссия из диэлектрических мишеней и сопутствующий ей эффект зарядки под воздействием электронного облучения изучается в течение многих лет, однако ряд аспектов этого сложного, многогранного явления все еще не до конца понятен и требует дальнейшего исследования. Необходимость, такого исследования диктуется тем, что изучение процесса зарядки диэлектриков имеет не только научное, но и большое практическое значение, например для аналитических электронно-зондовых методов исследований, электронной литографии, космической техники и во многих других современных технологиях. Вместе с тем локальная зарядка диэлектрических сред является положительным фактором в некоторых прикладных технологиях - при создании автоэмиттеров, в запоминающих электронно-лучевых трубках, при разработке элементов памяти и накопителей энергии в электретах. В связи с этим понятен интерес к изучению фундаментального явления зарядки как с точки зрения физики явления, так и с практической прикладной стороны.
Многогранность явления зарядки диэлектрических мишеней обусловлена целым рядом причин, а механизмы процесса зарядки в большинстве своем взаимодополняемы и взаимозависимы. Например, в электронно-зондовых исследованиях непроводящих образцов (диэлектрические структуры, полимеры, керамика, биологические препараты) встречаются значительные трудности при обработке и интерпретации результатов. Зарядке диэлектриков при электронном облучении сопутствуют следующие процессы: эмиссия электронов в вакуум, аккумуляция части зарядов на глубоких центрах захвата, возможная поляризация молекул, электронно-дырочная генерация и рекомбинация носителей зарядов, их дрейф и диффузия, образования сильных приповерхностных электрических полей и потенциалов. Степень проявления этих эффектов зависит от дозы электронного облучения, от состава мишени, её диэлектрической проницаемости, удельной проводимости. При электронном облучении диэлектриков следует также учитывать внутренний баланс токов электронов и дырок, их саморегулирующуюся динамику, приводящую к формированию слоев противоположного заряда в облучаемом объеме в различные моменты времени радиационного воздействия. В сканирующей электронной микроскопии это приводит к дефокусировке и искажениям изображений, в рентгеновском микроанализе - к сдвигу границы тормозного излучения из-за уменьшения энергии бомбардирующих электронов. Последнее обстоятельство может вызвать потери сравнительно высокоэнергетических характеристических рентгеновских пиков, соответствующих определенным элементам состава вещества. В Оже-
5 спектроскопии сильные подповерхностные электрические поля вызывают электромиграцию ионов, что приводит к ошибке при элементном анализе.
Вторичная эмиссии электронов играет весьма важную роль в процессах электризации космических аппаратов (КА), т.е. образовании на них электрического заряда в результате взаимодействия с магнитосферной плазмой и другими компонентами космической среды. Характеристики вторично-электронной эмиссии поверхностных материалов КА, в большинстве диэлектрических, непосредственно определяют величины возникающих при этом электрических полей на КА и в окружающем его пространстве. При этом весьма важными являются вопросы влияния процесса зарядки диэлектриков на механизмы и характеристики вторичной электронной эмиссии.
В последние годы было установлено, что реальная картина явления зарядки диэлектриков является более сложной, не согласующейся со многими положениями простой теории эмиссии электронов, которая оперирует идеализированной эмиссионной характеристикой а(Е0) образца. Ранее было предложено несколько моделей процессов зарядки непроводящих сред электронными пучками средних энергий, в которых степень зарядки зависит от коэффициента эмиссии электронов, определяемого как материалом мишени, так и величиной энергии первичных (облучающих) электронов. Но учет только эмиссионных характеристик диэлектрика и возможных токов утечки не объясняет всех нюансов процесса зарядки и в большинстве случаев противоречит экспериментальным результатам. В частности, не находит объяснения факт отрицательной зарядки мишени в области энергий облучающих электронов, где коэффициент эмиссии электронов больше единицы, т.е. где предполагалась положительная зарядка.
Указанные противоречия, в своей основе, объяснены развитой электростатической моделью генерируемого двойного слоя зарядов при электронном облучении диэлектрика, согласно которой вторичные электроны (ВЭ), покидая поверхность облученного образца, оставляют тонкий слой положительных зарядов Q+ толщиной s = ЗХ, где А.-средняя длинна свободного пробега ВЭ, равная приблизительно средней глубине их выхода (для типичных диэлектриков 5 равно 10-20 им). В то же время основная часть первичных термализованных электронов захватывается на ловушки в материале диэлектрика, формируя слой подповерхностного отрицательного заряда Q_ толщиной Щ, равной глубине пробега
первичных электронов (для принятых здесь энергий Е0 эта глубина равна 0,5 -5 мкм). Но
различные теории саморегулирующихся токов электронов и дырок, имеющих место в процессе зарядки, не дают ответа на ряд важных вопросов, касающихся как определения истинного значения второй кроссоверной энергии E2S для заряженного диэлектрика, так и
постоянных времени зарядки, а некоторые утверждения в указанных теориях представляются спорными, не отвечающими экспериментальными результатам. Такой подход подтверждается моделированием процесса взаимодействия электронных пучков с диэлектрической мишенью методом Монте-Карло и расчетами на основе саморегулирующегося баланса всех токов при облучении.
Игнорирование любого из вышеперечисленных эффектов и процессов приводит либо к ложной трактовке результатов экспериментов, либо лишь к частичному отражению реальной картины весьма сложного динамичного явления зарядки. В настоящей работе на основе экспериментальных результатов разработана кинетическая модель зарядки диэлектрических мишеней, которая в значительной мере снимает ряд дискуссионных вопросов о времени зарядки, о взаимосвязи коэффициентов эмиссии электронов а и возникающего поверхностного потенциала Vs, и о значении второй критической энергии электронов E2S, существенно отличающейся от аналогичной энергии Е2С, определенной для случая незаряженного диэлектрика. Экспериментально показано, что реальное время установления равновесного состояния зарядки на 2-3 порядка больше значения, рассчитанного на основе теории вторичной электронной эмиссии. Приведены обширные экспериментальные результаты исследования зарядки различных типов диэлектриков при электронном облучении, рассмотрены основные аспекты механизмов зарядки, что позволяет снять некоторые противоречия между теорией и экспериментом, внести определенную ясность в причины установления динамического равновесия процессов зарядки диэлектрических мишеней.
Целью диссертационной работы является изучение основных механизмов и эффектов явления зарядки диэлектрических объектов под воздействием электронного облучения в диапазоне энергий в единицы и десятки кэВ.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Изучить физическую причину резкого несоответствия экспериментально наблюдаемых результатов по зарядке диэлектриков с господствовавшей долгое время теорией, основанной на простой зависимости полного коэффициента эмиссии электронов от энергии облучающих электронов.
2. Проанализировать, в какой мере правомерна предложенная в последние годы теоретическая модель образования дипольного слоя зарядов при электронной бомбардировке и экспериментально установить на какую величину и в зависимости от каких параметров происходит сдвиг значения кроссовернои равновесной энергии первичных электронов при зарядке диэлектрической мишени.
Определить, существует ли такая энергия облучающих электронов, при которой диэлектрик вообще не заряжается, т.е. когда и потенциалы и внутренние подповерхностные электрические поля равны нулю.
Изучить причину обнаруженной резкой дифференциации времени зарядки диэлектриков — быстрой составляющей (десятки и сотни миллисекунд) и долговременной постоянной времени зарядки (единицы, десятки и сотни секунд).
Объяснить экспериментальный факт уменьшения времени зарядки с ростом энергии облучающих электронов.
Предметом научной новизны результатов, полученных в диссертации является:
Получены экспериментальные результаты по измерению как равновесных, так и временных параметров зарядки диэлектрических мишеней, показывающие значительный сдвиг значения равновесной кроссоверной энергии облучающих электронов для отрицательно заряженного образца (на единицы кэВ) по сравнению со случаем идеализированного незаряженного диэлектрика и устанавливающие наличие нескольких равновесных значений энергий.
Проведены расчеты потенциальных полей и барьеров над поверхностью заряженного дипольного слоя зарядов, вызывающих возврат части вторичных электронов на облучаемую поверхность и компенсирующих, наряду с электронно-индуцированными токами в объеме диэлектрика, положительные заряды в приповерхностной облучаемой области. Предложена версия об образовании экситонов и поляронов в слое положительного заряда, объясняющая радикальное уменьшение коэффициента эмиссии вторичных электронов.
Впервые получены результаты экспериментальных исследований кинетики зарядки диэлектрических мишеней, констатирующие наличие быстрой и долговременной составляющих времени зарядки, обусловленных образованием дипольного слоя зарядов в облучаемой области и влиянием величины начальной энергии облучающих электронов.
Проанализированы результаты теоретических и экспериментальных исследований зависимостей потенциалов и времен зарядки диэлектрических пленок от их толщины, а также плотности тока и энергии облучающих электронов.
Научная и практическая ценность работы заключается в следующих положениях:
В результате проведенных экспериментов и аналитических рассмотрений была
существенно развита и прояснена сложная, многогранная картина физических процессов
зарядки диэлектрических материалов под воздействием электронного облучения. Получили,
в основном, подтверждение как дипольная модель генерации слоев зарядов, так и модель
8 самосогласующихся саморегулирующихся токов электронов и дырок, образующихся при электронном облучении. При этом указанные теоретические модели существенным образом уточнены и в ряде аспектов поправлены, что позволило привести их в согласие с экспериментом.
Практическая ценность результатов исследований состоит в том, что впервые показано, что, например, при зарядке космической аппаратуры под воздействием космического излучения (в частности, электронными потоками) реальный отрицательный потенциал заряжающихся элементов аппаратуры может быть выше расчетных на единицы кВ, что может привести к непрогнозируемым пробоям в радиоэлектронной аппаратуре и катастрофическим отказам последних. С учетом этого могут быть выработаны практические рекомендации по доработке аппаратуры КА, позволяющие предотвратить указанные негативные явления.
Экспериментально установленные равновесные значения энергии облучающих электронов для широкого круга диэлектриков позволяют правильно выбирать рабочее напряжение во всех электронно-зондовых аналитических методах исследований: сканирующей электронной микроскопии, рентгеновском микроанализе, Оже-спектроскопии, электронной литографии и т.д.
Не менее важно на практике в электронно-лучевых технологиях знание реальных времен зарядки в зависимости от дозы облучения. В настоящей работе константы времени зарядки определены для широкого класса диэлектриков.
Полученные в работе результаты являются важными как для понимания фундаментальных физических эффектов, сопровождающих зарядку диэлектрических мишеней, так и в прикладном плане-для их учета при создании новых изделий микро- и наноэлектроники.
Основные положения, выносимые на защиту.
Эмиссионная электронная характеристика диэлектрических мишеней, снятая в экспериментальных условиях, не допускающих зарядки, значительно отличается от характеристики, полученной при непрерывном электронном облучении, заряжающем образец. Коэффициент эмиссии во втором случае существенно ниже, чем в первом.
При отрицательной зарядке диэлектрика происходит сдвиг равновесной энергии облучающих электронов в сторону уменьшения его значения, причем эта кроссоверная энергия не является константой вещества, а зависит от исходной энергии первичных электронов.
Существует лишь единственное значение энергии облучающих электронов, при котором образец не подвергается воздействию эффектов зарядки, т.е. когда одновременно вы-
9 полняются все условия равновесия: коэффициент эмиссии электронов равен единице, заряды не аккумулируются, потенциалы и поля вблизи поверхности и в объеме мишени равны нулю.
Процесс зарядки мишени происходит с разной скоростью и имеет две временные составляющие: быструю (длительность миллисекунды) и медленную (в интервале секунд и минут). При выборе более высокой энергии первичных электронов зарядка мишени до равновесного состояния происходит быстрее во времени, чем при исходной малой энергии электронов.
Уменьшение коэффициента эмиссии электронов объясняется не только образованием возвратных потенциальных барьеров для вторичных электронов, но и их рекомбинацией в слое положительного заряда, а также возможным образованием экситонов и поляронов.
Значения равновесных поверхностных потенциалов для пленочных диэлектриков нелинейно зависят от их толщины и определяются площадью заряженной области, глубиной пробега первичных электронов и толщиной пленки.
О зарядовом состоянии облучаемой электронами диэлектрической мишени нельзя судить только по анализу вторично-эмиссионной электронной характеристики. Для исчерпывающей информации о зарядке необходимо комплексное изучение величины и знака аккумулируемого заряда, поверхностного потенциала и эффективного коэффициента эмиссии электронов.
Апробация диссертации
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, а также на российских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: VI Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов, г. Москва, (Россия) 2007 г.; XV Российский симпозиум по РЭМ, г. Черноголовка, МО (Россия) 2007 г.; XI Международная конференция по физике диэлектриков, г. Санкт-Петербург (Россия) 2008 г.; 14th European Microscopy Congress, Aachen (Германия) 2008 г.; XXII Российская конференция по электронной микроскопии, г. Черноголовка МО, (Россия) 2008 г.; XVII Международная конференция по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, г. Обнинск МО (Россия) 2008 г.; IX Межвузовская научная школа молодых специалистов, Москва (Россия) 2008 г.
Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях и 6 тезисах, список которых приведен в конце диссертации и автореферата.
