Введение к работе
Актуальность темы диссертации Бомбардировка поверхности твердого тела в условиях высокого вакуума ускоренными ионами приводит к эмиссии частиц твердого тела в вакуум, или распылению. Изучение процесса распыления представляет собой важную' задачу как с точки зрения понимания фундаментальных процессов взаимодействия ускоренных частиц с твердым телом, так и в связи с прикладными аспектами использования распыления. Ионное распыление широко используется в полупроводниковой технологии для очистки поверхностей, нанесения тонких пленок, анализа процессов на и вблизи поверхности материалов. "Мелкоразмерное" легирование, производимое имплантацией низкоэнергетичных ионов (с энергией меньше 10 кэВ) также ставит проблему учета распыления в процессе имплантации. В оптоэлеггронике находят широкое применение полупроводниковые соединения AhiBv, AuBvi, тройные растворы, ионное травление которых менее изучено и имеет ряд особенностей. Несмотря на продолжительное изучение процессов распыления, теория удовлетворительно описывает лишь распыление моноатомных поликристаллических мишеней в интервале энергий первичных ионов 1-30кэВ. Распыление ионами с энергией ниже 1кэВ демонстрирует максимальное расхождение с предсказаниями теоретических моделей. В этой связи актуальной является задача исгледозания особенностей низкоэнерге-тичного распыления многокомпонентных полупроводников, состава распыленного потока, изменений в приповерхностном слое после ионной бомбардировки.
Значительную часть распыленного потока составляют полиатомные образования - кластеры. Природа образования кластеров при распылении поверхности до конца не ясна: существует несколько конкурирующих моделей их образования, в разной степени согласующихся с экспериментальными данными. Изучение эмиссии полиатомных частиц актуально с точки зрения выяснения мехшизмо. их образования и, как следствие, получения новой информации о процессе распыления. Кроме того, кластеры могут нести информацию о типах связей в твердом теле,и их регистрация имеет важное аналитическое значение. Исследования кластеров ограничивались выбором в качестве мишеней поликристаллических металлов. Данные по систематическому изучению эмиссии нейтральных кластеров при распылении полупроводников и полупроводниковых соединений в литературе отсутствуют.
В процессе взаимодействия ускоренных ионсв с твердым телом часть первичных частиц отражается от поверхности в ралном зарядовом состоянии и с
разной энергией. Кроме того, часть первичных частиц оказывается имплантированной в твердое тело и может быть распылена затем как вторичные частицы. Однократно рассеянные первичные ионы используются для анализа первого монослоя, что касается перераспыленных и многократно рассеянных частиц, то особенности и различные характеристики их эмиссии являются мало изученной областью.
Цель настоящей работы: Исследовать особенности эмиссии вторичных нейтральных частиц в процессе взаимодействия ионов низких энергий (ниже 2кэВ) с поверхностью полупроводниковых соединений. Для этого решались следующие задачи:
-Изучить возможность использогания для элементного и послойного анализа метода масс-спектрометрин вторичных нейтральных частиц с ионизацией в газоразрядной плазме.
-Разработать методику, позволяющую эффективно изучать закономерности распыления двухкомпонентных полупроводников.
-Измерить энергетические зависимости эмиссии распыленных нейтральных частиц, в том числе кластеров.
-Выяснить вопрос о применимости существующих теоретических моделей к-распылению многокомпонентных мишеней, а также моделей образования кластеров при распылении.
Научная новизна работу» Экспериментально показана возможность количественного безэталонного анализа полупроводников, металлов и диэлектриков с чуьгтвителыюстыо до 0.0001 ат.% и погрешностью, не превышающей для большинство элементов 10%. Разработана методика послойного анализа ультратонких (меньше Юнм) слоев с сохранением разрешения до глубины 0.5 мкм.
Впервые систематически изучены энергозависимости многократно рассеянных и перераспыленных частиц инертного газа (Аг) после взаимодействия с поверхностно твердого тела для большого набора мишеней. При этом для их анализа использовалась постионизирующая среда - плазма того же газа, что и рассеянные (перераспыленные) частицы. Установлено, что характер взаимодействия в зависимости от соотношения масс атомов мишени и ионов Аг меняется кардинально: для мишеней с массой атомов, большей массы первичных ионов, существенная часть (десятки процентов) первичных ионов после взаимодействия с поверхностью рассеиваются обратно преимущественно с энергией 0-20 эВ, т.е.
сравнимой с энергией вторичных распыленных частиц. Для мишеней с массой атомов, меньшей массы иона, отражения практически не происходит.
Впервые в условиях одного эксперимента для набора полупроводниковых соединений AniBv (A» Ga, In; В» N, Р, As, Sb) исследован состав потока вторичных частиц, изучен состав поверхности после конной бомбардировки и измерены энергозависимости коэффициентов распыления.
.Впервые систематически изучены энергозависимости выхода нейтральных кластеров при распылении полупроводников и полупроводниковых соединений. Показано, что за образование димеров. с одной стороны, и кластеров с числом атомов больше трех, с другой стороны, ответственны два разных механизма формирования кластеров.
Нчучнзя v практическая значимость работы. Разработана методика количественного анализа непроводящих мелкодисперсных материалов с чувствительностью до 5*10 ат % и относительной погрешностью меньше 20%.
Определены зависимости коэффициента отражения первичных частиц от энергии падающих ионов и массы атомов мишени. Показана необходимость учета эмиссии первичных частиц после их многократного рассеяния иа атомах твердого тела, например, в процессе нанесения тонхих пленок ионным распылением.
Разработана методика изучения процесса распыления многокомпонентных мишеней, включающая измерение коэффициентов распыления, эмиссионных характеристик и состава поверхности, подвергнутой бомбардировке. Результаты измерений позволили провести прямое сопоставление с существующими теоретическими моделями и были использованы для проверки их применимости. Измерены коэффициенты распыления для полупроводниковых соединений, имеющих важное прикладное значение.
Экспериментально определен выход вторичных кластеров при распылении углеродных матриц (графита и стеклоуглерода) ионами аргона и ксенона. Уточнена модель, описывающая образование кластеров в процессе распыления.
^я зашиту ямносятс.я слепугоптиі» научные положити:
1. Максимальная концентрации первичных частиц, имплантированных в мишень, пропорциональна коэффициенту внедрения р и обратно пропорциональна сумме коэффициента распыления атомов мишеня S и коэффициента внедрения (формула (4) автореферата). Концентрация внедренных частиц непосредственно на поверхности (2-3 монослоя) j. досчитывается по формуле, ана-
логичной (4), в которой учтен эффект преимущественного распыления менее связанной и более легкой компоненты (формула (5) автореферата).
-
Относительный выход распыленных нейтральных димеров позволяет определить преимущественное^ распыления одной из компонент двухкомпонент-|;ых мигаеней без проведения дополнительных специальных измерений.
-
Распыление полупроводниковых соединений типа AmBv ионами Аг+ с энергией меньше 1кэВ хорошо описывается в рамках модели Юдина [1], модифицированной увеличением расчетного коэффициента распыления в (1 - Vb'/A /Е ) раз, где Еіь - пороговая энергия распыления, а Е -энергия распыляющих ионов (формула (7) автореферата).
-
В процессе распыления поверхности твердого тела нейтральные димеры образуются в основном из независимо распыленных частиц; образование больших кластеров (л 2 3) является результатом эмиссии группы атомов при выходе на поверхность ударных волн, образующихся в приповерхностной области, либо в результате коллективного испарения.
На защиту также выносятся:
-
Модернизация масс-спектрометра аторичных нейтралей ША-3 и совершенствование методик измерений, позволяющих проводить количественный безэталонный анализ металлов, полупроводников и диэлектриков, а также послойный анализ с ультравысоким разрешением.
-
Методика определения коэффициента распыления мишеней с использованием предварительно напыленной пленки золота как "внутреннего эталона", используемая в случае травления поверхности ионным пучком с трудно контролируемой плотностью ионного тока.
-
Методика комплексного исследования распыления многокомпонентных материалов, основанная на изучении состава потока вторичных частиц, состава поверхности дна кратера травления и измерения коэффициента распыления ми-тени.
Лпробаиия работы Исследования, представленные в диссертации, выполнены в период с J 992 - 1997 г.г. в лаборатории диагностики поверхности АО Мсханобр-Акалит в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры прикладкой физики и оптики твердого тела Государственного технического университета. Результаты исследований докладывались на Международных конференциях по взаимодействию ионов с поверхностью (1993, 1995 г.г.), IX и X Международных конференциях по вторично-ионной масс-спектромегрии
(1993, 1995 г.г.), Международных конференциях по анализу поверхности и границ раздела (1993, 1995 г.г.), Международных семинарах, посвященных использованию постионизации для исследования материалов (1993, 1995 г.г.), Международной конференции по модификации поверхности ионной бомбардировкой (1996г.).
Публикапии. Основные результаты исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы в работах [1-17].
Структури писсертании , Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций и списка цитируемых работ.
