Введение к работе
Актуальность проблеми. Б последние годы усилия многих исследователей направлены на изучение процессов, происходящих на поверхности твердого тела при лазерном воздействии. К таким процессам относятся лазерний отжиг поверхности полупроводников, фотостимулированные химические реакция на поверхности, фотости-мулированная десорбція атомных и молекулярных частиц. Энергия, необходимая для активации рассматриваемых процессов, поставляется, твердому телу световыми квантами. При этом важное значение приобретает вопрос выяснения механизмов передачи энергии поглощенного светового потока для активации поверхностных процессов.
Предлагаемая диссертационная работа посвящена исследованию процессов фотостимулированной десорбции с поверхности твердого тела. В закономерностях фотостимулированной десорбции проявляется многообразие физико-химических взаимодействий в фотовозбужденной электронно-молекулярной системе на поверхности твердого тела. Актуальность исследования фотостимулированной десорбции и связан-ных о ней электронно-молекулярных процессов определяется их существенной ролью в фундаментальных и прикладных задачах современной физики поверхности и катализа. Изучение этих процессов при возбуждении твердого тела лазерным излучением приобретает важное значение в связи с возможностью использования лазерного излучения в различных областях науки и техники. Например, для развития технологии лазерного отжига ионночиегированных полупроводниковых приборов, для осуществления фотостимулированных реакций на поверхности, для избирательного испарения компонент материалов, для создания новых приборов диагностики состояния поверхности при ее лазерном возбуждении. Изучение фотостимулированной десорбции и выяснение ее физических механизмов позволят не только глубже понять специфику физико-химических свойств поверхности твердого тела, но и послужат основой для разработки принципов их целенаправленного изменения.
Регистрация фотодесорбвдошюго эффекта возможна как косвенными, так и прямыми методами. Косвенные методы основаны на измерении каких-либо характеристик образцов, которые изменяются при десорбции (например, проводимость, работа выхода, фотоэдо). Прямые методы основаны на непосредственной регистрации фотодесор-
_ 4 -
бированиых частиц и измерении их характеристик. К началу диссертационной работы в литературе имелись отдельные сообщен я о регистрации фотодесорбционного эффекта прямыми методами в некоторых адсорбционных системах. Сведения об измерениях энергетических и пространственных распределений фотодесорбированных частиц в литературе отсутствовали.
Целью диссертационной работы, является экспериментальное исследование закономерностей и физических механизмов процесса фото-стимулированной десорбции при оптическом возбувдєшіи электронной системы твердого тела на основе прямого анализа характеристик десорбируемнх частиц и измерения электрофизических характеристик адсорбционных систем.
Методы исследований. В работе созданы установки и разработаны методические приемы исследования фотодесорбции, основанные на непосредственном масс-спектрометрическом и энергетическом анализе десорбируемнх частиц, возбуждаемых как излучением импульсных ламп, так и лазерным излучением в оптическом диапазоне длин волн, В десорбциояных исследованиях использовалось лазерное излучение относительно низких интенсивностой (плотность мощности падающего на поверхность излучения 10-Ю6 Вт/см ). Излучение рассматривав-мой мощности не вызывает процессов плазмообразования и разрушение материала, а температура нагрева поверхности в импульсе, как правило, меньше температуры плавления. Полупроводниковые образцы в таких условиях сохраняют свои электрофизические свойства. Характеристики десорбируемнх при этом атомных и молекулярных частиц содержат непосредственную информацию о закономерностях поверхностных электронно-молекулярных процессов, приводящих к фотооти-мулированной десорбции.
Для получения более полной информации о свойствах адсорбционных систем и для контроля за состоянием поверхности применялисі тершдесорбционкая маоо-спектрометрия, измерения работы выхода,' фотоэдо, оже-электронная спектроскопия. Эксперименты проведены в овврхвысоковакуумных условиях ( КГ7- ДО"8 Па), состав оотагочньп газов контролировался маоо-спектромегричеоки.
Объектами исследования служили поверхности металлических и полупроводниковых образцов. На металлических образцах (никель,
кадмий, тантал) исследовалась лазерная десорбция газовых молекул 00, С02 из адсорбционного слоя и лазерное испарение частиц собственного материала (атомы никеля, кадагая, тантала). Фотостимули-рованная десорбция исслодовалась о поверхностей сульфида и селе-нида кадмия (полупроводников группы А% , обладающих большой ионяостыэ химических связей) и германия и кремния ( ковалентних полупроводников). Изучалась десорбция атомных и молекулярных частиц, входящих в состав исследуемого материала ( Cd , $2 , Se2 , Si , Ge ), а такие газовых молекул, адсорбированных на поверх-ности ( 02, СО, С02, Н20, Н2). При окислении поверхностей германия и кремния изучалась также десорбция частиц, образовавшихся в результате поверхностной химической реакции ( в основном молекул SiO nGeO ).
Научная новизна. Систематические экспериментальные исследования фотодесорбцяоняых процессов на поверхности полупроводников, направленные на выяснение физического механизма фотодесорбции, были начаты автором диссертацш в конце 60-х годов. В результате исследований установлены новые экспериментальные факты и основные физические закономерности, характеризующие процесс фотоогимулиро-ванной десорбции. Ниже приведены наиболее важные оригинальные результаты, впервые полученные в диссертационной работе;
-прямыми масс-спектрометрическими измерениями зарегистрирован эффект (Jo то десорбции кислорода с поверхности сульфида кадмия,
-обнаружено и исследовано влияние внешнего электрического поля на интенсивность фотодесорбции в системе сульфид кадмия -кислород,
-измерены энергетические распределения частиц собственного материала, десорбируемых с поверхностей сульфида и селенида кадмия при лазерном возбуждении, и обнаружено присутствие в десорб-ционном штоке термализованной и нетермализованной компонент,
-обнаружено изменение формы энергетических распределений десорбируемых частиц в зависимости от интенсивности излучения, величины энергии возбуждающих квантов и угла выхода частиц,
-измерены энергетические распределения газовых молекул 02, СО, С02, Н20, п.,, десорбируемнх о поверхности сульфида и селенида
кадмия, германия и кремния при лазерном возбуждении,
-показано, что в лазерко-стимуллрованноп десорбции с атомно чистых поверхностей ковалентних полупроводников (гермшіиіі, кремний) преобладает выход положительных ионов собственного материал*
-установлено, что характеристики лазерной десорбции к <}орка энергетических распределений агомов германия и кремния изменяются в процессе окисления поверхностей образцов.
Доотовошооть результатов определяется комплекснім характере исследований, использовшшем современных взаимодополняю'дих методо Эксперименты выполнены в сверхвысоком вакууме с применением масс-спекгромегрии, термодесорбционной спектрометрии, фотозлектрічес-ких и электронно-спектроскопических измерений. Полученные результаты воспроизводимы как на разных образцах одного материала (мо-нокристаллн, пленки), гак и на группах материалов, обладающих подобными физическими свойствами. В ряде случаев результаты подтверждены Солее поздними данными других авторов.
Практическое значение работы состоит в том, что в ней: -развита методика определения молекулярного состава, энергетических и пространственных распределений лазерно-десорбируемых частиц, которая может найти применение в научно-исследоватєльсшіх лабораториях,
-созданная экспериментальная установка является чувствительным инструментом для определения локального элементного состава поверхности твердого тела при ее лазерном возбуждении,
-получены рекомендации по режимам лазерной очистки с целью контролируемого получения атомно-чистых поверхностей в условиях сверхвысокого вакуума.
(рсновные защищаемые положения:
I. Разработаны методические основы и создана экспериментальная установка для изучения фотостимулированной импульсной десорбции на основе прямого времяпролетного масс-анализа десорбируемых частиц,измерения их энергетических и пространственных распределений, объединяющая в одной экспериментальной камере ряд современных методов диагностики состояния поверхности.
- 7 -'і. На залогу выносится совокупность новых экспериментальных результатов, состоящих в масс-спєктрометрическом изучении фотоде-сорбцнонного эффекта, в измерении распределений десорбируемых частиц по кинетическим энергиям, в обнаружении термализовадной и негермализованной компонент десорбционного потока с поверхности полупроводников, в установлении зависимости формы энергетического распределения фотодосорбируемых частиц от интенсивности и длины воліш излучения и от угла выхода десорбируемых частиц.
3. При оптическом возбуждении поверхности полупроводника
реализуются, по крайней мере, два механизма десорбции: фотоэлек-
тронккй и тепловой, которые приводят к появлению нетермализованн-
ой и термализованной компонент в десорбционном потоке.
В лазерной десорбции с металлических поверхностей преобладает десорбция, обусловленная тепловым действием света.
-
Установлена прямая связь мезду интенсивностью фотодесорб-цші и концентрацией фотовозбудт.еняых носителей в приповерхност-ноіі области полупроводника, свидетельствующая об участии фотовоз-буэденной электронно-дырочной системы полупроводника в десорбционном процессе. Этот результат получен на основе параллельных исследований фотодесорбции и фотоэлектрических характеристик образцов, аффекта влияния на фотодесорбцгао внешнего электрического поля и ее спектральной чувствительности.
-
Сравнительными исследованиями фютодесорбвди с поверхностей конных и ковалентних полупроводников установлена корреляция между зарядом десорбируедай частицы и характером ее химической связи с поверхностью. При ионной связи преобладает десорбция нейтральных частиц, при ковалентной - десорбция положительных ионов.
В диссертации решена актуальная задача физики поверхности твердого тела - исследована фогостимулированная десорбция путем прямого масс-анализа десорбируемых частиц и измерения их энергетических и пространственных распределений. Экспериментально обоснован фотоэлектронный механизм десорбции с поверхности полупроводников и установлены закономерности его проявления в зависимости от ионности хемосорбционных связей, что способствует формированию новых представлений о физической природе фогостимулированных электронно-молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердого тела.
Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам ис следований, выполненных на физическом факультете Л1У в период 1968-1989 гг. лично автором и совмествно с руководимой группой аспирантов и сотрудников. Непосредственно автором созданы конст руклди экспериментальных приборов, выполнен большой объем иэмер ний, разработаны качественные модели и принципы интерпретации экспериментальных результатов. Автору принадлежи также постано: ка задач аспирантских работ, участие в их осуществлении, обработке и обсуждении экспериментальных данных. В работе принимали участие студенты старших курсов физического факультета Л1У при выполнении курсовых и дипломных работ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуеда-лись и были опубликованы в трудах следующих Всесоюзных конференций, школ, симпозиумов:
-14,15,16,17,18 и 19 Всесоюзные конференции по эмиссионной электронике. Ташкент(1970), Киев(1973), Махач-Кала(1976), Ленинграде 1978), Моеква(1981), ТашкентеIS84).
- 4, 5 и 6 Всесоюзные школы по физике поверхности полупроводников. Ленинграде1979), 0десса(1982), 0десса(1987),
- 4, 5 и 6 Всесоюзные симпозиумы по вторичной и фотоэлек
тронной эмиссии. Ленинград(1981), Рязань(1983), Рязань(1986).
-Всесоюзные школы ПО'физике поверхности. їашкенг( 1983), Карпаты(Шб),
6 Всесоюзное совещание по физике поверхности полупроводников. Киев(1977),
3 Всесоюзный симпозиум по электронным процессам на поверх ности полупроводников, Новосибирск(1980),
5 Всесоюзный симпозиум по физике и техническому применена} полупроводников А% . Вильнюс(1983),
6 Всесоюзная конференция по- нерезонансному взаимодействию оптического излучения о веществом. Вильнюс(1984).
5 Всесоюзный симпозиум по физике поверхности твердых тел.' Киев(1983),
Всесоюзное совещание "Химическая связь, электронная структура и химические свойства полупроводников". Калинин(1985).
I Всесоюзная конференция по диагностике поверхности. КаунасеIS66),
- 9 Всесоюзный симпозиум "Электронные процессы на. поверх-
эстл полупроводников". Новосибирск^ 1988),
Всесоюзная конференция "1ІОБЄрхность-89".Черноголовка(І989),
Всесоюзный симпозиум "Эмиссия с поверхности полупроводни-эв, в том числе экзоэмиссия".львов(1989).
Публикации. Ло материалам диссертации имеется 68 публикаций, заготовленная к печати монография "Лазерная десорбция" будет публикована в 1990г. в издательстве Ленинградского университета, писок основных публикаций по теме приведен в конце автореферата.
Диссертация состоит из шести глав, введения и заключения. Зщий объем работы 360 страниц, включая 92 рисунка на 59 страйках, 6 таблиц и библиографии ( 351 наименование) на 35 страницах.
Похожие диссертации на Исследование процессов фотостимулирования десорбции с поверхности твердого тела
