Введение к работе
Актуальность проблемы. Проведенные в последние года исследования показали, что существует качественное различие объемных и поверхностных свойств твердого тела. Это, в свою очередь, привело к возникновению нового понятия - физической поверхности. Физическая поверхность все чаще рассматривается как новое, особое состояние вещества, нардду с газом, жидкостью, твердым телом и плазмой. Большинство исследователей оценивает глубину физической поверхности в несколько десятков ангстрем. Исследования физической поверхности, как и все исследования в физике твердого тела, развиваются двумя путями. Это - исследования имеющихся границ раздела фаз, в частности, границ атомарно-чистых поверхностей. И второе - исследование поверхностей раздела, модифицированных каким-либо воздействием. Очевидно, что наиболее перспективным на этом пути является контролируемое воздействие на поверхность. Примером такого, в значительной мере контролируемого воздействия является облучение твердого тела лучком атомов или ионов низких энергий (= I кэВ). В силу малости своей энергии эти частицы при торможении не создают каскады атом-атомных соударений, рождая изолированные лары Френкеля. Пробег первичных частиц ограничен десятками ангстрем, поэтому их влияние ограничено областью физической поверхности. С точки зрения прикладной, область энергий (до I кэВ) представляет лер-востеяенный интерес, поскольку именно здесь лежат пороговые энергии и энергии активации всех основных процессов, протекающих на физической поверхности при ее взаимодействии с ионным или атомным пучком. Важнейшими изних, рассмотренными в диссертации, являются: селективное распыление, имплантация и десорб-
ция адсорбированных молекул под воздействием низкоэнергетических пучков, адсорбционно-десорбционные процессы на модифицированной поверхности, создание структурных дефектов и исследование процессов с их участием.
Взаимодействие ионов низких энергий с веществом изучено слабо. Фактически отсутствуют сведения о тех элементарных процессах, совокупность которых в итоге приводит к наблюдаемым макро (и микро) изменениям свойств облучаемых тел. Поэтому одним из основных направлений экспериментальных исследований является развитие и совершенствование методов исследований. Условно все методы можно разделить на методы, фиксирующие или процессы или состояния. Примером последних могут служить спектр скопические методы (Оже, термодесорбция и пр.). Методов, позволяющих непосредственно фиксировать процессы, изучать кинетику их протекания, в арсенале современных исследователей существенно меньше. Поэтому в диссертации большое внимание уделено развитию метода полупроводникового сенсора, обладающего большими достоинствами при относительной простоте.
Итак, в основу диссертации легло изучение процессов взаимс действия атомов, молекул и ионов низких энергий (КТ^ Е^ I кэ! с атомарно-чистыми и модифицированными поверхностями и развит» методов исследования этих процессов. Отсутствие в литературе систематических данных по этим вопросам.позволяет утверждать, что в диссертации сформулировано новое научное направление: исследование свойств физической поверхности, модифицированной ионным лучком низких (Е «* I кэВ) энергий.
Цель работы. Исследование характеристик и закономерностей процессов, протекающих на физической поверхности полупроводников и металлов, модифицированной низкоэнергегичесзшм ионным ил
мным пучком, и развитие методов изучения этих процессов.
Основные задачи. I. Применение метода полупроводникового юора для исследования процессов селективного распыления и їлантации атомов при воздействии низкоэнергетических ионных [ейгральных пучков. 2. Развитие метода полупроводникового сен->а и исследование стимулированных ионами, электронами и воз-денными атомами процессов десорбции, диссоциации и адсорбцией способности на его поверхности. 3. Экспериментальное ис-дование сорбционных свойств поверхностей кремния и германия, ифицированных низкоэнергетическим пучком Аг+. 4. Разработка ественнои модели образования дигидридных центров хемосорбции мов водорода на поверхности полупроводника. 5. Эксцерименталь-исследование процессов в монокристаллах металлов, стимулиро-ных низкоэнергетическим пучком Аг+. 6. Разработка адекватной эли образования и фазовых превращений включений на основе лов инертного газа.
Научная новизна работы состоит в обнаружении ряда неизвест-ранее эффектов, структур и выявлении новых закономерностей, эеляций и возможностей аналитических методов. В работе впер-
- обнаружено явление изменения электропроводности оксидных
тгроводников под воздействием атомов (в том числе возбужден-
и ионов водорода, кислорода и инертных газов, возбужденных гав ртути ( ng -атомов);
установлено, что скорость селективного распыления оксида а практически не зависит от знака заряда бомбардирующей час-
показано, что процесс внедрения низкоэнергэтических ионов сид цинка носит пороговый характер; получены значения поро-х энергий внедрения для различных ионов;
предложена качественная модель процессов, происходящих на поверхности оксида цинка лри взаимодействии ее с ионами инертных газов низких энергий, лучками К, и С>, Hg* -атомами;
обнаружено увеличение в результате ионной бомбардировки адсорбционной сдособности ловерхности долудроводникового сенсора но отношению к молекулам кислорода;
предложена кластерная модель термодесорбции газа из силі разупорядочвиного моноатомного вещества (металл, полупроводник]
открыто явление одновременной десорбции молекул водорода и атомов инертного газа при температуре Т=900 К из облученного инертным газом кремния;
установлено, что процесс десорбции молекулярного водоро да с поверхностей Зі (100),pi (III) сопровождается процессом их реконструкции.
Впервые при исследовании спектров TJjvlC атомов Аг из Ni и Со при облучении их ниэкоэнергетичеокш.ш ионами Аг+ обнаруже ны:
а/ явление перестройки спектров при изменении температурь и фишенса облучения;
б/ участки аномальной термодесорбции в спектрах обратной термодесорбции;
в/ возникновение кристаллических включений с участием an мов Аг, их плавление при температуре Т=(850-г860) К и испаренн при Т=1350 К.
Построена модель, качественно объясняющая эксперименталь фиксируемые эффекты путем рассмотрения системы взаимодействую между собой аргон-вакансионных комплексов, возникающих при. об лучении металлов.
Практическая ценность работы: 4
разработан набор специальных ячеек, позволяющих регист-аровать полупроводниковым сенсором возбужденные атомы и ионы яертных газов тепловых и низких энергий;
разработаны методики приготовления окисных пленок, не-увствительных к облучению их возбужденными атомами ртути;
предложен способ модификации поверхности оксидов, сос-эящий в обогащенші поверхности металлическим компонентом путем энной бомбардировки;
созданы новые типы детекторов для регистрации малых жцентраций атомов водорода на поверхности окиси цинка (конг-шь чистоты поверхности) и для детектирования пучков атомов гертных газов с энергией до 100 эВ;
разработана новая методика определения профиля распределил имплантированных атомов о помощью термодесорбционеои масс-іектроскопии;
предложен новый способ обнаружения примесного водорода кремнии;
предложен метод повышения чувствительности сенсора к ре-[стращш Hg -атомов путем предварительного воздействия на іенки молекулярным кислородом;
получены авторские свидетельства на способы детекгирова-:я возбужденных атомов инертных газов и ионов с тепловыми энер-:ями;
получено авторское свидетельство на способ изменения сорб-онных свойств поверхности твердого тела.
Основные научные положения, выносимыена защиту.
- доказательства возможности применения метода полупровод-
кового сенсора для исследования процессов селективного распы-
ния, имплантации, десорбции, диссоївіации,протекавших на по-
рхности сенсора;
доказательства явления перестройки поверхностей монокристалла кремния и германия при хемосорбции на них водорода;
результаты исследования состояний водорода на чистых и моди^яцироважякх жовным пучком поверхностях кремния и германия;
результаты жсследования состояний атомов благородных газов, имплантированных в металлы низкоэнергетическим ионным пучком;
доказательства существования фазовых переходов во включениях, образовавшееся при облучении монокристаллов Ni и Со ионами Аг+.
Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации докладывались на:
- Всесоюзном совещании по хемосорбции и ее роли в катализе
(Москва, 1967 г.); координационном совещании по радиационному
катализу и действию ионизирующих излучений на изоляторы и полу
проводники (Киев, 1967 г.); - конференции по радиационной химия
(Обнинск, 1969 г.); - 3 Международной конференции по каталити
ческим реакциям (Алма-Ата, 1971 г.); - Всесоюзных конференциях
по "Взаимодействию атомных, частиц с твердым телом" (Киев - 1974
Харьков - 1971, 1976 г.г., Минск - 1978, 1981, 1984 г.г., Моск
ва - 1987, 1989 г.г., Звенигород - 1991 г.); - Всесоюзном симпс
зиуме по взаимодействию атомных частиц с твердым телом памяти
У.А.Арифова (Ташкент - 1979, 1989 г.г.); - ХУЇЇ-ХХ Всесоюзных
конференциях до эмиссионной электронике (Ленинград - 1979 г.,
Москва - 1981 г,, Ташкент - 1984 г., Киев - 1987 г.); - Всесою;
ных совещаниях до физике взаимодействия заряженных частиц с крі
стаыами (Москва - 1978, 1982, 1986, 1987, 1989, 1990, 1992 г.і
- ГУ семинаре специалистов социалистических стран по электрон
ной спектроскопии (Москва - 1982 г.); - Всесоюзном семинаре
заимодействие ионных пучков с атомами и поверхностью гвердо-тела" (Новгород - 1986 г.); - Ыеддународном совещании стран 3 "Радиационная физика твердого тела" (Сочи - 1989 г.); -ідународной конференции по радиационному материаловедению [ушта - 1990 г.); - II дальневосточной школе "Физика и химия (рдого тела" (Благовещенск - 1988 г.); - II Международной ференции по электронно-лучевым технологиям (Болгария, Варна -!8 г.); - Всесоюзных семинарах-совещаниях по "Диагностике по-їхности ионными пучками (Ужгород - 1985 г., Запорожье - 1983г. ецк - 1989 г.); - Всесоюзной научно-технической конференции годы локального анализа и их метрологическое обеспечение" ердловск - 1989 г.); - Всесоюзном совещании по новым возиох-тям рентгеноспектральних и электронно-микроскопических мето-исследования в решении научно-технических проблем в области ако-химии поверхности твердого тела (Москва, 1987 г.); -Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии (Сумы - 1986 г.); II Всесоюзной школе "Фундаментальные вопросы ионной импланта-* (Алма-Ата - 1985 г.); - УП Всесоюзной конференции по физи-пізкотемпературной плазмы (Ташкент - 1987 г.); - 31-32 ІиРАС фессах по .прикладной химии (София, Болгария, 1987 г.; сгольм, Швеция, 1989 г.); - II Всесоюзной конференции "Моди-щия свойств конструкционных материалов пучками заряженных иц" (Свердловск - 1991 г.); - ХУІ Всесоюзной школе по радиа-яой физике металлов и сплавов (Бакуряани - 1989 г.); - Зсе-ном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севасто-, 1990 г.); - Межведомственном семинаре по физике поверхнос-ФТИ им. А.Ф.Иоффе (Ленинград, 1972, 1978, 1982, 1987 г.г.); Всесоюзной '.конференции "Модификация свойств конструкционных риалов пучками заряженных частиц (Свердловск, 1991 г.).
Публикации и личный вклад автора. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 43 статьях и 5-й авторских свидетельствах. Часть работ, вошедших в диссертацию /1-9/ вьшол нены автором под руководством профессора Мясникова И.А. Остальные работы составившие основу диссертации выполнены по инициативе и при непосредственном участии автора диссертации под его научным руководством.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. В каждой главе имеется введение и выво ды. Основной текст диссертации содержит 220 страшщ, но рисунка и 8 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 250 назвали
