ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 11, с. 100-102
УДК 533.537
ВЛИЯНИЕ ПРОГРЕВА И ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ СИЛИЦИДНЫХ НАНОПЛЕНОК
© 2007 г. Б. Е. Умирзаков, Д. А. Ташмухамедова
Ташкентский государственный технический университет им. Абу Райхана Беруни, Ташкент, Узбекистан
Поступила в редакцию 12.01.2007 г.
Представлены результаты исследований влияния различных внешних воздействий на физико-химические свойства нанопленок силицидов металлов, полученных ионной имплантацией в сочетании с отжигом. Установлено, что состав и эмиссионные свойства нанопленок BaSi2/Si практически не меняются при прогреве до Т = 900 К и при бомбардировке электронами при]е < 2.5 мА/см2.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы проводятся интенсивные исследования по созданию и изучению свойств нанопленок и наноструктур на основе материалов различной природы. Для этих целей часто используются методы молекулярно-лучевой эпи-таксии, термодиффузии, ионной имплантации и др. [1-3]. В частности, нами установлено [4], что метод термодиффузии позволяет получить однородные силицидные нанопленки с толщиной от 50 до 300 А, а метод низкоэнергетической ионной имплантации - в пределах от 20 до 70 А. Тонкие пленки, используемые в приборных структурах, могут подвергаться различным видам внешних воздействий как при создании приборов, так и при их эксплуатации. Работа выхода и другие эмиссионные свойства поверхности при этом претерпевают изменения, которые прежде всего, обусловлены изменением состава поверхности пленок. Изменение эмиссионных свойств поверхности материалов в процессе ионной имплантации и последующего температурного отжига ранее изучены в [5-7]. Однако влияние внешних воздействий на состав и свойства силицидных нанопленок до настоящего времени практически не исследованы.
Данная работа посвящена исследованию влияния температурного прогрева, электронной бомбардировки, выдержки в атмосфере воздуха на состав, работу выхода и вторично-эмиссионные характеристики нанопленки Ва812/81 (111), полученной методом ионной имплантации в сочетании с отжигом.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Все технологические обработки (ионная имплантация, прогрев и электронная бомбардировка) и исследования состава и свойств образцов проводились в одном и том же универсальном экспериментальном приборе, в условиях сверхвысокого вакуума (Р = 10-8 Па). Имплантация
осуществлялась ионами Ва+ в интервале энергии Е0 = 0.5-5 кэВ дозой В = 1014-1017 см 2. Методом оже-электронной спектроскопии (ОЭС) определялся элементный и химический состав исследуемых образцов. Работу выхода электронов еф мишени определяли по контактной разности потенциалов между исследуемым образцом и катодом электронной пушки, измеряемой методом задержки первичного пучка электронов на мишень (для катода еф = 2.6 эВ). Энергетическая зависимость коэффициента вторично-электронной эмиссии (КВЭЭ) а измерялась в области энергии первичных электронов Ер = 100-1500 эВ. Методика эксперимента подробно описана в [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сначала кратко рассмотрим принципы получения нанопленок ВаБ^Бь На рис. 1 приведены концентрационные профили распределения атомов Ва по глубине для имплантированного ионами Ва+ с Е0 = 0.5 кэВ при оптимальной дозе В = 6 X 1016 см2 до и после отжига. Отжиг проводился двумя способами: длительным высокотемпературным прогревом и импульсной лазерной обработкой. Видно, что до отжига концентрация бария СВа на поверхности доходит до 55-60 ат.%. Анализ оже-спектров показал, что при этом ~25-30 ат.% атомов Ва образуют химическую связь с атомами матрицы, а остальная часть находится в несвязанном состоянии. Прогрев при Т = 1200 К в течение 30 мин приводит к полной рекристаллизации приповерхностного слоя и образованию монокристаллической пленки Ва812/Б1 толщиной ё = 20-25 А. Между силицидом и матрицей формируется переходной слой толщиной ё = 60-70 А, где концентрация Ва монотонно уменьшается от ~30-35 ат.% до нуля.
В случае лазерного отжига монокристаллический Ва812/Б1 образовался при плотности энергии
ВЛИЯНИЕ ПРОГРЕВА И ЭЛЕКТРОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ
101
Ж = 1.5-2 Дж • см2. Для получения наиболее совершенной пленки необходимо было проводить после лазерной обработки кратковременный прогрев при Т = 1000 К [8]. В этом случае, в отличие от температурного отжига, толщина однородной пленки составляла 35-40 А, а ширина переходного слоя резко уменьшалась до 10-15 А, однако появлялась третья слаболегированная (СВа = 23 ат.%) область шириной ~100-150 А (увеличивая энергию ионов до 5 кэВ можно было получать пленки толщиной до 70 А). В данном исследовании пленки BaSi2/Si получены последним способом.
Для получения информации о влиянии температурного прогрева на свойства пленок BaSi2/Si были изучены температурные зависимости работы выхода электронов еф и поверхностной концентрации Ба(СВа) от температуры прогрева. Прогрев при каждой температуре проводился в течение 30 мин. На рис. 2 приведены зависимости еф и СВа от температуры прогрева для BaSi2/Si с й = = 30 А. Видно, что до Т = 950-1000 К концентрация бария и значение работы выхода электронов практически не меняются, что соответствует температуре формирования пленок силицида бария. Начиная с температуры Т = 1000-1100 К наблюдается разложение BaSi2 на составляющие и интенсивная десорбция Ba с поверхности. Следовательно, при Т > 1000 К с ростом температуры концентрация бария в приповерхностной области резко уменьшается, а работа выхода электронов резко увеличивается, приближаясь к работе выхода электронов чистого Si.
О влиянии электронной бомбардировки на значения еф и С^ можно судить по данным, приведенным на рис. 3. Энергия электронов составляла Ее = 0.6 кэВ, а продолжительность бомбардировки при каждом значении]е - 2 ч. Видно, что до ]е = 2-2.5 мА/см2 значения еф и С^ практически не меняются. При бомбардировке пленок электронным пучком с ]е = 3 мА/см2 наблюдается некоторое обогащение поверхности атомами Ba и уменьшение еф. Из этого следует, что при электронной бомбардировке разложение BaSi2 начинается с ]е = 2.5-3 мА/см2. Дальнейшее увеличение ]е приводит к увеличению скорости разложения BaSi2 и резкому увеличению интенсивности испарения атомов Ba с поверхности. Следовательно поверхностная концентрация Ba уменьшается, а еф увеличивается. Плотность электронного тока у* при которой начинается разложение BaSi2 в области Ее = 0.5-1 кэВ мало зависит от энергии электронов. В интервале Ее = 1-5 кэВ с ростом Ее значения у* монотонно уменьшаются.
При длительной выдержке силицидных пленок в атмосфере воздуха их эмиссионные свойства (максимальное значение КВЭЭ сот) суще-
Рис. 1. Влияние температурного и лазерного отжига на профили распределения атомов бария по глубине для 81, имплантированного ионами Ba+ с Е0 = 0.5 кэВ и Б = = 6 х 1016 см-2: 1 - до отжига; 2 - Т = 1200 К; 3 - Ж = = 2 Дж см-2 и кратковременный прогрев при Т = 1000 К.
Т, К
Рис. 2. Влияние прогрева на еф (1) и концентрацию ионов Ba (2) на поверхности системы BaSi2/Si, полученной методом ионной имплантации в сочетании с отжигом.
je, мА/см2
Рис. 3. Изменение концентрации бария и термоэлектронной работы выхода поверхности BaSi2/Si при электронной бомбардировке.
ственно изменяются (таблица). Это обусловлено адсорбцией на поверхности пленки BaSi2 атомов и молекул, содержащихся в воздухе. Толщина ад-
102
УМИРЗАКОВ, ТАШМУХАМЕДОВА
Влияние выдержки в атмосфере воздуха (/ > 10) на значения ат и еф пленок BaSi2/Si толщиной d = 30 А
Параметр До выдержки в атмосфере воздуха После выдержки в атмосфере воздуха После прогрева в СВВ при T = 900 K
еф ^m 3.0 1.9 3.8 1.3 3.1 2.0
сорбционного слоя составляла ~10—12 А. В этом слое, в основном, содержатся атомы кислорода. Как нами ранее показано, концентрация кислорода и его глубина проникновения в пленки ВаБ12 значительно меньше, чем в случае чистого Оже-анализ свидетельствует о том, что атомы кислорода не образуют химической связи с атомами кремния и бария.
Как видно из таблицы, кратковременный высокотемпературный отжиг при Т = 850-900 К в условиях сверхвысокого вакуума практически полностью удаляет чужеродные атомы с поверхности и из приповерхностной области ВаБ^Б^ и состав и свойства, характерные для данного силицида, полностью восстанавливаются. Аналогичные данные получены и в случае наносилицидов соб12 и №Б12.
ВЫВОДЫ
Силицидные нанопленки, полученные методом ионной имплантации, выдерживают значи-
тельные температурные (до Т = 900-1000 К) и токовые (/е = 2-2.5 мА/см2) нагрузки. Выдержка си-лицидных пленок в атмосфере воздуха приводит к уменьшению значения КВЭЭ. Кратковременный прогрев в условиях сверхвысокого вакуума способствует восстановлению эмиссионных свойств силицидов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетерострукту-ры / Пер. с англ. под ред. Ченга Л., Плога К. М.: Мир, 1989. 582 с.
2. Пархоменко ЮН., Герасименко H.H., Иржак A.B. // Материалы электронной техники. 2003. № 1. С. 45.
3. Умирзаков Б.Е., Усманов М., Ташмухамедо-ва Д.А., Ташатов A.K. // Изв. РАН. Сер. физ. 1998. № 10. С. 1954.
4. Ташмухамедова Д.А., Умирзаков Б.Е., Балта-ев Э.У. // Поверхность. Рентген. синхротр. и нейтрон. исслед. 2003. № 8. С. 101.
5. Нормурадов М.Т., Шатурсунов Ш.Ш., Умирзаков Б Е. // Изв. АН УзССР. Сер. физ.-мат. наук. Ташкент: Фан, 1977. № 3. С. 70.
6. Касымов А.Х., Нормурадов М.Т. // Радиотехника и электроника. 1972. Т. 17. С. 1109.
7. Нормурадов М.Т., Умирзаков Б.Е. Энергетические спектры поверхности твердых тел, имплантированных ионами низких энергий. Ташкент: Фан, 1989. 154 с.
8. Умирзаков Б.Е., Нормурадов М.Т, Раббимов Э.А. // Изв. РАН. Сер. физ. Т. 56. 1992. № 7. С. 48.
Influence of Annealing and Electron Bombardment on Composition and Structure Silicides Nanofilms
B. E. Umirzakov, D. A. Tashmukhamedova
Influence of various external actions on physico-chemical properties of metal silicide nanofilms produced by ion-implantation in combination with annealing has been studied. The composition and emissive properties of BaSi2/Si nanofilms are not practically varied under
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.