ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 8, с. 32-36
УДК 539.534.9,539.533.9
ОСОБЕННОСТИ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ОЖЕ-СПЕКТРОВ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ
© 2004 г. А. В. Филимонов1, Е. Ю. Королева2
1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург, Россия 2Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 10.09.2003 г.
Проведено сравнительное экспериментальное исследование эмиссии оже-электронов при ионном и электронном возбуждении для монокристаллического кремния и его соединений. Исследовалась зависимость тонкой структуры оже-спектров от сорта и энергии первичных ионов, а также от кристаллической структуры и типа химической связи в образце. Предложено качественное объяснение экспериментальных результатов.
ВВЕДЕНИЕ
Эмиссия оже-электронов происходит не только при электронном или рентгеновском облучении материалов, но и при бомбардировке твердых тел ионами средних (килоэлектрон-вольтных) энергий. В этом случае для явления характерен ряд специфических особенностей: избирательность возбуждения оже-электронов, отличная от других видов возбуждения структура пиков оже-электронов [1]. С целью изучения особенностей эмиссии оже-электронов при ионном облучении (ИОС) в сравнении с электронным (ЭОС) ранее были выполнены измерения для широкого набора материалов как моноэлементного состава, так и соединений [2]. Структура оже-пиков ИОС существенно отличается от ЭОС. Вместо одного пика наблюдаются два, причем их положение на оси энергий отлично от случая электронного возбуждения (2-3 эВ). Форма одного из них (более высокоэнергетического) практически совпадает с электронным, другой - более узкий. Кроме этого, в спектрах наблюдаются низкоэнергетические пики-сателлиты, форма которых воспроизводит структуру основного пика. Для ряда элементов характеристических оже-пиков нет, а в высокоэнергетической части спектра наблюдаются широкие полосы. Такой спектр получен для меди. Для других элементов наблюдаются одновременно два выделенных типа спектров, накладывающихся друг на друга [1].
С целью изучения влияния кристаллической структуры монокристаллов на форму оже-спектров были выполнены измерения для монокристаллического кремния и его соединений при различных сортах и энергиях первичных ионов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Все измерения выполнены на лабораторной высоковакуумной установке, предназначенной
для регистрации оже-спектров при электронном и ионном возбуждении. Для получения ионов в установке используется газоразрядный источник с несамостоятельным газовым разрядом в продольном магнитном поле, создаваемом соленоидом. Устройство источника позволяет при давлении в разряде ~10-1 Па иметь в объеме прибора вакуум не хуже 10-4 Па. Рассматриваемая система позволяет направлять на мишень ионный пучок с плотностью тока 10-100 мкА/см2 диаметром ~2 мм. В качестве первичных частиц используются газовые ионы (ионы инертных газов - Не+, Аг+, ионы азота № и т.п.), а также ионы ртути Н§+.
Мишень представляет собой цилиндрическую коробочку диаметром ~20 мм, выполненную из тугоплавкого металла (Та), внутри которой находится вольфрамовый нагреватель. На крышке коробочки крепится исследуемый образец. Очистка поверхности образца от загрязнений производится путем прогрева его в вакууме и ионного травления. Травление осуществляется тем же пучком ионов, который используется для генерации оже-электронов.
Измерение энергетических спектров оже-электронов осуществляется с помощью анализатора типа "плоское зеркало". Данный анализатор обладает малой светосилой, поэтому для регистрации его выходного тока используется вторично-электронный умножитель. Перед входом в умножитель помещены затянутые сетками диафрагмы, что исключает "провисание" поля умножителя в объем анализатора. Разрешающая способность Я такого анализатора составляет ~200, угол сбора электронов < 2°.
Облучение мишени электронами производится с помощью электронной пушки, позволяющей получать пучки электронов диаметром ё ~ 0.5 мм с энергией Ер = 300-2000 эВ при плотности тока ]е < 50 мкА/см2.
Контроль за состоянием поверхности мишени проводился методом электронной оже-спектро-скопии. Оже-спектры, полученные при электронном облучении, свидетельствовали о том, что после прогрева образцов и травления ионным пучком их поверхность оказывалась практически чистой (в оже-спектрах наблюдались только пики, соответствующие основному материалу мишени - кремнию).
Для определения разрешающей способности анализатора измерялся пик упруго отраженных электронов при облучении мишени 81 пучком электронов с энергией 600 эВ. При этом разрешение должно быть не ниже, чем отношение энергии первичного пучка к ширине пика упруго отраженных электронов. Измерения показали, что разрешение анализатора не менее 200, т.е. отвечает поставленным требованиям.
В качестве объекта исследования использовались монокристаллы 81(110), 81(111) и ряд химических соединений кремния; исходный материал имел чистоту не хуже 99.99%. Образцы вырезались из стандартных пластин толщиной 350 мкм. Поверхность образцов подвергалась химической очистке перед установкой в держатель. Все измерения проводились в одних и тех же геометрических условиях при одинаковых параметрах, что исключало наложение вторичных эффектов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены спектры кремния 81(110) при облучении электронами (1.5 кэВ) и ионами Лг+ (16 кэВ). Поскольку основное внимание уделялось анализу структуры, для удобства сравнения здесь и на всех последующих рисунках спектры приведены к одному масштабу. Здесь и далее рассматриваются относительные амплитуды пиков. Облучение образца 81(110) производилось при температуре мишени (Гм) ~ 1000°С, что позволяло устранить нарушения структуры, возникающие при ионной бомбардировке [3]. Видно, что спектры существенно различаются. В условиях электронного возбуждения на кривой наблюдаются основной пик (92 эВ), а также слабовыра-женные высокоэнергетический и низкоэнергетические (77 и 70 эВ) пики-спутники (а). Здесь и далее обозначения характеристических пиков и способ измерения их амплитуды соответствуют указанным на рис. 1. Во втором случае (б) все пики-спутники выражены более отчетливо, их относительные амплитуды заметно больше. Кроме того, происходит раздвоение основного пика: вместо одного (92 эВ) наблюдается два пика примерно одинаковой амплитуды (92 и 87 эВ), причем "новый" более узок и симметричен по форме. Низкоэнергетические спутники схожи по форме с основным пиком, который близок к регистрируемому
dN/dE, произв. ед
_I_I_I_1_
50 70 90 110 Е, эВ
dN/dE, произв. ед
Рис. 1. Спектры кремния 81(110) при облучении электронами, Е = 1.5 кэВ (а) и ионами Лг+, Е = 16 кэВ (б).
при электронном облучении, высокоэнергетический же пик значительно шире основного.
Причины наблюдаемого различия в спектрах не вполне очевидны, но, по-видимому, оно определенным образом связано с различием в происхождении линий в спектрах при разных видах облучения.
Представляется интересным выяснить, как влияют на структуру спектра такие факторы, как энергия первичных частиц и сорт ионов.
Влияние энергии и сорта первичных ионов. В результате измерения серии спектров 81(110) при облучении ионами Лг+ разных энергий было установлено, что изменение энергии первичных
Р3/Рв, отн. ед. 0.12 -
0.04
6
10
14 Е,кэВ
Рис. 2. Изменение относительной амплитуды высокоэнергетического сателлита Р3 от величины энергии ионов Е0 при бомбардировке 81(110) ионами Аг+, Тм = 1000°С.
ёЫ/ёЕ, произв. ед.
60
80
100
Е, эВ
Рис. 3. Оже-спектры монокристалла 81(110), облучаемого ионами Не+ (1), (2) и Hg+ (3) с энергией 16 кэВ.
частиц Е0 не приводит к заметным изменениям в спектрах. Исключение составляет только высокоэнергетический спутник Р3. При Е0 порядка 68 кэВ он практически не наблюдается, дальнейшее увеличение Е0 приводит к относительному росту амплитуды пика (рис. 2).
Переход к другим сортам ионов приводит к более заметным изменениям спектров. На рис. 3 показаны оже-спектры монокристалла 81, облучаемого ионами № и Не+ с энергией 16 кэВ. Здесь, как и в случае облучения Аг+, наблюдается раздвоенный основной пик (92 и 87 эВ) и его низкоэнергетические спутники (77 и 70 эВ). Положение и форма регистрируемых в спектрах пиков сохраняется, но заметно изменяется соотношение их амплитуд. Наблюдается общая закономер-
ность - относительный рост амплитуд низкоэнергетических спутников и пика 87 эВ при переходе к более легким ионам (от к Не+). Высокоэнергетический сателлит во всех трех случаях отсутствует.
Были исследованы оже-спектры кремния, находящегося в различных соединениях, и для разных граней. На рис. 4 приведены спектры кремния при облучении ионами Аг+ (16 кэВ) образцов 81С, 813К4 и 81(111) соответственно. Измерения проводились при той же температуре мишеней ~1000°С.
В спектрах, полученных при электронном облучении химических соединений кремния, наблюдается смещение всех линий в область более низких энергий (химический сдвиг), причем оно становится больше при переходе от 81С к 813К4.
При облучении химических соединений ионами набор линий, их форма и энергетические положение не зависят от природы соединения и соответствуют таковым для 81(110). Соотношение же их амплитуд изменяется. Относительные амплитуды пиков 87, 77 и 70 эВ в спектрах химических соединений несколько больше соответствующих им в спектре 81(110) и возрастают от 81С к 81^.
Влияние кристаллической структуры. Эксперимент показал, что наблюдаются различия и в спектрах различных граней монокристалла 81.
Анализ спектра 81(111) при облучении Аг+ (рис. 4) показывает, что, как и в спектре для грани (110), наблюдается основной пик (92 эВ) и набор его спутников: высокоэнергетический, атомоподобный (87 эВ) и низкоэнергетические (77 и 70 эВ). Форма всех пиков сохраняется, но соотношение их амплитуд различается для двух граней. Относительные амплитуды пика-спутника 87 эВ и низкоэнергетических сателлитов в спектре грани 81(110) несколько больше, чем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.