velikol.ru
  1 2 3 ... 5 6
^

Ионная технология


При ионной бомбардировке используются положительные ионы, отрицательные ионы, а также нейтральные атомы. Можно использовать атомарные, молекулярные, а также многозарядовые ионы.

Ионные пучки являются более гибким средством воздействия на объект по сравнению с электронными. Это связано с тем, что можно использовать ионы почти всех элементов таблицы Менделеева, а также молекулярные ионы и частицы в разных зарядовых состояниях. Вакуум в установке для ионной бомбардировки должен быть лучше 10-2 Па.

Проникнув в твердое тело и двигаясь в нем, ионы теряют энергию и рассеиваются в результате упругих и неупругих соударений. Упругими или ядерными соударениями называются такие соударения, при которых энергия иона передается атомам твердого тела. В каждом таком соударении ион передает атому большую энергию, т. к. он имеет массу, сравнимую с массой атома. При этом происходит также рассеяние ионов.

Неупругими или электронными являются соударения, в которых энергия иона передается электронам. При этом происходит возбуждение электронов, что приводит к появлению в полупроводниках и диэлектриках неравновесных носителей заряда – электронов и дырок. Происходит явление радиационной проводимости, которое сопровождается возникновением радиационных дефектов. При облучении быстрыми протонами возникает характеристическое рентгеновское излучение.

Упругое взаимодействие ионов с твердым телом приводит к образованию радиационных дефектов. Простейшие дефекты, двигаясь по кристаллу, могут объединяться между собой и с примесями в более сложные дефекты. Простейшие дефекты – это вакансии и междоузельные атомы. Эти простейшие дефекты также могут исчезать на различных стоках, например, на дислокациях, или рекомбинировать между собой. Наличие радиационных дефектов изменяет свойства твердого тела, такие как электрические, магнитные, оптические, химические, механические. Возможен также фазовый переход. Например, переход полупроводника из кристаллического в аморфное состояние.

Наличие подвижных точечных дефектов приводит к радиационно-стимулированной диффузии. Атомы в приповерхностном слое толщиной порядка 1 нм могут выйти из мишени, в результате чего произойдет распыление вещества. Это вещество можно осадить на подложку и напылить тонкие пленки.
^

2. Модификация свойств твердых тел при ионной бомбардировке


Особенности ионной бомбардировки состоит в следующем:

1. При бомбардировке массивного объекта изменение свойств происходит лишь в тонком приповерхностном слое. Это позволяет получить неоднородные по глубине структуры;

2. Можно задать точно дозу ионов, если контролировать плотности ионного тока и время облучения;

3. Ионная бомбардировка позволяет вводить в вещество плохо диффундирующие примеси из-за большой кинетической энергии ионов, а также примеси в количествах, превышающих предел растворимости.

Заключение


В данном модуле были рассмотрены основные закономерности технологических процессов ионной размерной обработки.

Указано, что проникнув в твердое тело и двигаясь в нем, ионы теряют энергию и рассеиваются в результате упругих и неупругих соударений. В каждом таком соударении ион передает атому большую энергию, т. к. он имеет массу, сравнимую с массой атома. При этом происходит также рассеяние ионов.

Ионные пучки являются более гибким средством воздействия на объект по сравнению с электронными. Это связано с тем, что можно использовать ионы почти всех элементов таблицы Менделеева, а также молекулярные ионы и частицы в разных зарядовых состояниях.
^

2. Физические основы электроннолучевой обработки


При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом происходят процессы, в результате которых наблюдается эмиссия частиц. При этом изменяются свойства самого твердого тела. Это позволяет изменять свойства обрабатываемых материалов, а также контролировать эти изменения. Схема технологической установки такова:



  1. Катод;

  2. Система центрирования;

  3. Вакуумная камера;

  4. Заготовка;

  5. Линза для фокусировки;

  6. Магнитная линза;

  7. Оптическая система для набюдения;

  8. Анод.

Рис. 1. Схема технологической установки

Закономерности протекания процессов при такой бомбардировки определяются параметрами электронного пучка:

1)        Энергией электронов;

2)        Направлением движения электронов;

3)        Интенсивностью потока электронов.

Всеми этими параметрами легко можно управлять с помощью электронно-оптических систем. Эти системы формируют моноэнергетический поток электронов, который сфокусирован и направлен в определенный участок поверхности объекта.

На пути к поверхности объекта электроны из-за рассеяния на частицах окружающей среды могут терять энергию. При давлении остаточных газов, равном 1 Па, на каждом метре пути электрон испытывает в среднем от 1 до 100 соударений. Чтобы не менее 99% электронов доходили до поверхности объекта, нужно поддерживать давление газа в установке на уровне 10-2 – 10-4 Па.

Рассмотрим процессы, происходящие в твердом теле и на его поверхности при облучении электронами. При внедрении в вещество электроны испытывают многочисленные акты взаимодействия с его атомами. Эти акты можно разделить на два основных класса – на упругие и неупругие взаимодействия.

Под упругим понимают такие взаимодействия, при которых участвующие в них частицы обмениваются энергией (кинетической), а внутренняя энергия частиц не изменяется. При упругом соударении электрона с неподвижным атомом количество переданной атому кинетической энергии определяется соотношением масс взаимодействующих частиц. Это количество энергии не может превышать нескольких сотых долей процента от начальной энергии электронов Е1. Это следует из законов сохранения энергии и импульса.

Закон сохранения энергии: Т+П=Е=const, полная механическая энергия не изменяется со временем. ;

Закон сохранения импульса , импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.

Однако, при очень больших значениях Е1 (сотни кэВ, единицы МэВ и более) переданной энергии становится достаточно для выбивания атомов из узлов кристаллической решетки. Это приводит к образованию радиационных дефектов. Вот это смещение атома при соударении с электроном вызывает смещение соседних атомов и по атомной цепочке распространяется упругая волна. Такие волны в кристаллах могут возникать только при определенных частотах. Каждой из этих частот соответствует свой квант энергии – фонон. Поэтому в каждом акте упругого рассеяния первичный электрон теряет энергию дискретными порциями, соответствующими возбуждению одного или нескольких фононов.

Если при упругом соударении электрон передает атому энергию, достаточную для возбуждения фонона, то такое рассеяние изменит только направление его движения, а его энергия останется неизменной.

Часть электронов испытывает отклонения на большие углы и возвращается в вакуум. Такие электроны называются упруго отраженными. Их энергия не отличается от Е1.

Более обширным классом являются взаимодействия, при которых изменяется не только направление движения электронов, но и их энергия, т. е. происходит торможение электронов. Энергетический спектр такого тормозного излучения имеет непрерывный характер вплоть до энергии квантов, равной Е1. Тормозное излучение используют для поучения рентгеновских лучей.

Когда электрон пересекает границу раздела двух сред с различными свойствами, то появляется переходное излучение. При очень больших значениях Е1 наблюдается излучение Черенкова, которое возникает в том случае, когда скорость электронов превышает фазовую скорость распространения электромагнитных волн в данном веществе. Кроме того, в этом случае возникает когерентное испускание рентгеновских квантов.

Все перечисленные виды излучения (т. е. излучения при упругом рассеянии) уносят только небольшую часть энергии первичного электрона.

Основной механизм торможения первичных электронов в веществе связан с процессами неупругого рассеяния. Это рассеяние приводит к возбуждению электронной системы твердого тела. Существует два основных типа электрон-электронных взаимодействий в твердом теле: коллективные и одночастичные.

При коллективных возбуждениях первичный электрон взаимодействует с овокупностью всех валентных электронов твердого тела, которую можно рассматривать как электронный газ или плазму свободных электронов. Квант энергии плазменных колебаний называют плазмоном. Плазмон рассматривается как квазичастица твердого тела, который обладает определенными значениями энергии и импульса.

Поверхностный плазмон имеет импульс, направленный вдоль границы раздела двух сред. Его энергия меньше, чем энергия объемного плазмона. Время жизни объемного плазмона не превышает 10-16 с. При их распаде выделяется энергия, которая либо уносится электромагнитным излучением, либо передается одному из электронов твердого тела, либо переходит в теплоту. Возбуждение плазменных колебаний соответствует рассеянию на малые углы.

При рассеянии на большие углы импульс, переданный электронам твердого тела, достаточно велик и при этом наблюдаются одночастичные взаимодействия. В этом случае энергия первичных электронов тратится на ионизацию или и возбуждение атомов твердого тела.

В каждом акте такого взаимодействия один из электронов твердого тела получает от первичного электрона энергию, достаточную для перехода в состояние с более высокой энергией. На энергетическом уровне, с которого произошел переход, при этом образуется вакансия.

Возбужденные электроны в момент образования имеют кинетическую энергию, превышающую кинетическую энергию электронов проводимости. Затем эти электроны постепенно теряют избыточную энергию в актах неупругого рассеяния. Часть из них достигает поверхности, преодолевая поверхностный потенциальный барьер и выходит в вакуум в качестве вторичного электрона. При этом возникает вторичная электронная эмиссия. Это явление находит широкое применение в электровакуумных приборах, а также применяется для изучения состояния поверхности твердого тела.

Другая группа вторично-эмиссионного методов базируется на Оже-процессах. В его основе лежит анализ энергетических спектров вторичных электронов. В таких спектрах наблюдаются пики при определенных значениях энергии, характерных для данного вещества и не зависящих от Е1. Причиной их появления является то, что при переходе электрона в каком-либо атоме на вакансию выделяется дискретная порция энергии, которая может быть передана безызлучательно еще одному электрону твердого тела. Если такой электрон выходит в вакуум без потери энергии, то его кинетическая энергия позволяет судить о природе атома, в котором произошел переход. Это явление лежит в основе электронной оже-спектроскопии.

В вакуум могут выходить и неупруго отраженные электроны, число которых составляет десятки процентов. В результате этого часть энергии электронного луча уносится из вещества, что снижает КПД.

Тем не менее большинство возбужденных электронов остается в твердом теле и быстро (за время 10-14 - 10-12 с) теряет всю свою энергию за счет торможения. Эти электроны скапливаются в зоне проводимости. Они имеют тепловые скорости и называются термализованными электронами. Эти процессы лежат в основе радиационной проводимости. Эту проводимость также называют наведенной или электронно-возбужденной.

В неметаллических веществах время жизни этих электронов достаточно велико. Оно достигает десятков и сотен микросекунд. Однако, в конце концов эти электроны исчезают в результате рекомбинации с носителями противоположного заряда. Рекомбинация может происходить двумя путями. Во-первых, при непосредственном столкновении электрона и «дырки», во-вторых, при захвате носителей на локальные ловушечные центры примесей и дефектов, которые в этом случае играют роль центров рекомбинации. В последнем случае возникает рекомбинационное излучение, которое называют люминесценцией. Это явление широко применяется для создания люминесцентных экранов электронно-лучевых приборов.

Если в результате электронных переходов резко возрастают силы отталкивания между соседними атомами, и если эти атома успевают разойтись на большие расстояния, то происходит необратимое изменение состава облученного электронами вещества. К таким процессам относится электронно-стимулированная десорбция чужеродных атомов и молекул, а также десорбция химических соединений, находящихся на поверхности твердого тела.

Электронное облучение может приводить к противоположному результату, т. е. к образованию химических соединений, если химическая активность атома при его возбуждении возрастает. Электронный поток играет при этом роль катализатора.

Все перечисленные явления называются химическими реакциями, обусловленными электронной бомбардировкой. Их широко применяют в электроннолучевой технологии, например, в электронной литографии, нанесении тонких пленок, при нетермической размерной обработке и других технологических операциях.

При облучении электронами максимальное количество дефектов вводится из поверхности облучаемого материала. Кроме того, в результате рассеяния электронов при их проникновении в вещество диаметр электронного пучка увеличивается. Если исходный диаметр пучка меньше, чем глубина проникновения электронов, то их энергия выделяется в приповерхностном объеме образца, близком по форме к сферическому.

Еще один путь, по которому идет процесс преобразования энергии первичных электронов состоит в электронно-лучевом нагреве вещества. Электронный пучок при торможении в твердом теле теряет в нем всю свою энергию в результате различных упругих и неупругих процессов.

Часть этой энергии уносится с поверхности электронами, фотонами и атомными частицами. Оставшаяся часть поглощается веществом и в конечном итоге переходит в теплоту. Эта теплота отводится от облучаемого участка за счет теплопроводности материала и теплового излучения поверхности. Повышение температуры стимулирует протекание многих термических процессов, таких, как:

  • структурные фазовые переходы;

  • отжиг дефектов;

  •   диффузия;

  •   рекристаллизация;

  • плавление;

  •   десорбция и испарение с поверхности атомных частиц;

  • термоэлектронную эмиссию и др.


<< предыдущая страница   следующая страница >>