научная статья по теме ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРАХ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ И ГРАФИТА Физика

Текст научной статьи на тему «ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРАХ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ И ГРАФИТА»

ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРАХ ВТОРИЧНЫХ ИОНОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ И ГРАФИТА

В. В. Хвостов, И. К. Хрустачев, К. Ф. Миннебаев* Е. Ю. Зыкова, И. П. Иваненко, В. Е. Юрасова*

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова 119991, Москва, Россия

Поступила в редакцию 13 августа 2013 г.

Исследована вторичная ионная эмиссия из монокристаллов графита и кремния, облучаемых ионами аргона с энергией Еи от 1 до 10 кэВ при различных углах падения о на поверхность образца. Прослежены энергетические спектры вторичных ионов С+ и Si+, для которых наблюдается сдвиг их максимумов Етах в сторону больших энергий Е\ вторичных ионов с увеличением полярного угла эмиссии в, отсчитываемого от нормали к поверхности. Противоположная тенденция обнаружена для ионов, эмитируемых из монокристалла, нагретого до нескольких сотен градусов Цельсия: величина Етах сначала не меняется, а затем сдвигается в сторону меньших значений Е\ с увеличением в. Показано, что величина и сдвиг максимума энергетического спектра вторичных ионов углерода с ростом угла эмиссии практически не зависит от Ей, угла о и рельефа облучаемой поверхности (в пределах исследованных Ей и о). Получены и обсуждаются необычные осциллирующие энергетические распределения вторичных ионов, выходящих с грани (111) кремния и с грани (0001) слоистого графита. Проведен численный расчет процесса распыления и перезарядки вторичных ионов. Сравнение экспериментальных и расчетных данных для кристаллов графита показало, что образование ионов С+ происходит в результате процесса перезарядки вторичных ионов ионами Аг+ не только по выходе из мишени, но и внутри нее. Это существенно отличается от процесса в металлах и должно учитываться при рассмотрении механизмов вторичной ионной эмиссии и при практическом использовании в масс-спектрометрии вторичных ионов.

DOI: 10.7868/S0044451014030045 1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование энергетических спектров вторичных иоиов важно для понимания механизмов вторичной ионной эмиссии (ВИЭ) и для практических приложений. В настоящее время накоплен обширный материал по закономерностям и теоретическому описанию ВИЭ [1 7]. Однако целый ряд зависимостей для ВИЭ остается неизученным. При этом некоторые из имеющихся экспериментальных данных не объясняются существующими теориями.

Помимо чисто научной ценности исследование процесса ВИЭ и особенностей энергетического распределения вторичных попов имеет большое прикладное значение для развития одного из самых чувствительных методов анализа состава поверхности

E-mail: minnebaev'fflmail.ru

E-mail: yurasova'fflphysics.msu.ru

твердого тела вторичной ионной масс-спектромет-рии [8 11]. Для совершенствования этого метода и создания теории ВИЭ необходимо иметь детальные экспериментальные данные, в частности, об угловых н энергетических распределениях вторичных попов н о влиянии рельефа поверхности на энергетические спектры вторичных попов.

Такие исследования выполнены в настоящей работе для монокристаллов графита и кремния, имеющих широкое практическое применение в наноэлек-тронике и других областях [12 14].

2. МЕТОДИКА

При исследовании ВИЭ важно иметь возможность одновременно измерять угловые и энергетические распределения разделенных по массам вторичных попов. Такие измерения проводились на специально созданной установке с подвижным

Рис.1. АС М-изображение рельефа грани (0001) монокристалла нанопористого графита, образовавшегося в результате ионного облучения (после снятия большого числа энергетических спектров); Аг+, Ео = 10 кэВ, а = 45°. Доза облучения В ~ 1018 ион/см2

180-градусным сферическим энергетическим анализатором, соединенным с неподвижным квадруполь-ным масс-спектрометром. Осуществлялась фокусировка ионов в двух направлениях, что обеспечивало высокий коэффициент их пропускания и позволяло применять аксиально-симметричную оптику. Разрешение по энергии составляло 0.5 эВ (при энергии ионов 20 эВ); диапазон массовых чисел 1-350 а. е. м. В камере образца с помощью магниторазрядного насоса поддерживалось давление порядка Ю-9 Topp. Использовался пучок ионов Аг+ с энергией от 1 до 10 кэВ, который падал на кристалл под углами а — 0, 45°, 60° от нормали к поверхности. Полярный угол наблюдения в менялся в пределах 90° путем вращения энергетического анализатора. Выход вторичных ионов определялся интегрированием масс-пика при определенной энергии или путем интегрирования энергетических спектров ионов.

Энергетические спектры исследовались для грани (111) кремния и грани (0001) слоистого и нанопористого графита.

Рельеф поверхности образцов, образующийся в результате ионного облучения при снятии энергетических спектров, изучался с помощью атомно-сило-вого микроскопа FemtoScan Online. Пример рельефа поверхности нанопористого графита после длительного ионного облучения показан на рис. 1; обсудим его далее. Схема эксперимента приведена на рис. 2 для угла падения первичных ионов на мишень а = 45°.

Л

Рис.2. Схема эксперимента для случая падения ионов на образец под углом а = 45°: /+ — пучок первичных ионов; 1 — образец; 2 — подвижный энергетический анализатор, соединенный с масс-спектрометром

Рис.3. Энергетические спектры ионов для углов эмиссии в = 0 (1), 35° (2), 45° (3) при облучении грани (111) кремния; Аг+, Ео = 10 кэВ,

а = 45°

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные энергетические спектры вторичных ионов эмитируемых с грани (111) кремния,

представлены на рис. 3. Энергетические спектры вторичных ионов С+, выходящих с граней (0001) слоистого графита, показаны на рис. 4.

Обращают на себя внимание две характерные особенности этих спектров: 1) смещение максимума Етах спектров вторичных ионов и С+ с ростом угла эмиссии в; 2) осцилляции энергетических распределений. Обсуждение указанных особенностей спектров вторичных ионов и их объяснение современными механизмами ВИЭ приведено в следующих разделах.

1+:

OTII. од.

1.0 Л

0.8 ; V

0.6 о°°о \ ♦ О о '

0.4 ♦ О - о

0.2 ° з^Л ♦ ^ "со!

0 20 40

80 100

Ei, эВ

Рис.4. Энергетические распределения ионов С+, выходящих с граней (0001) слоистого графита для углов эмиссии 0 = 0 (1), 35° (2), 65° (3); Аг+, Еи = 2 кэВ, о = 45°

3.1. Смещение максимума энергетического спектра с ростом угла эмиссии вторичных ионов кремния и углерода

На рис. 5а представлены смещения Етах в зависимости от угла эмиссии в ионов Si+, выходящих с грани (111) кремния при ее облучении ионами Аг+ под углом а = 45°. Получено увеличение Етах с ростом в, совпадающее с расчетными данными [15]. На рис. Ъб показано, что происходит при облучении той же грани (111) кремния пучком ионов с разными плотностями тока, соответствующими разной температуре Т мишени. Картина, противоположная тому, что наблюдалось на рис. 5«, обнаружена для нагретого образца: Етах уменьшается с увеличением в.

Сдвиг максимума энергетического распределения Етах с ростом в наблюдается также при ВИЭ из слоистого и нанопористого графита. Как показано на рис. 6, зависимости Етах(в) вначале растут почти линейно с в (при в < 50°), а далее происходит более быстрое их возрастание. Так же, как н для результатов по кремнию, для эмиссии С+ с грани (0001) слоистого графита при увеличении температуры мишени наблюдается постоянство и даже уменьшение Етах с увеличением в (соответственно кривые 4 и 2 на рис. 6).

Величина и сдвиг максимума энергетического спектра вторичных попов углерода не изменяются в пределах исследованных энергий первичных попов от 2 до 10 кэВ (рис. 6). Действительно, точки х и А. относящиеся соответственно к Eg = 2 кэВ и Ео = Ю кэВ, лежат на одной кривой 3. Наблюдается очень слабая зависимость энергетического спектра вторичных попов от угла падения первичных попов

(рис. 6). Так, кривая 1 для а = 45° лежит немного выше, чем кривая 3 для а = 60° и чем кривая 5 для скользящих углов падения. При этом вид зависимости Етах(в) при изменении угла а не меняется.

Для того чтобы проанализировать полученные результаты по смещению максимумов спектров вторичных однозарядных попов кремния и углерода при изменении угла их эмиссии, рассмотрим основные механизмы ВИЭ.

3.2. Основные механизмы вторичной ионной эмиссии

ВИЭ представляет собой сложный многочастичный квантовый процесс, для теоретического описания которого необходимы определенные модельные упрощения. Обычно ВИЭ рассматривают как процесс распыления атомной частицы из твердого тела с последующей ионизацией (или нейтрализацией) этой частицы.

Согласно каскадной теории [16], спектр нейтральных частиц, покидающих образец с энергией Е под углом в к поверхности, имеет вид

S(E, в)

Е cos в (Е + U)3

(1)

где V энергия связи атома на поверхности. Основной величиной, характеризующей процессы образования вторичных ионов, является вероятность ионизации Р+(Е,в). Доля заряженных частиц в полном потоке распыленных атомов составляет

S+(E,6) = S{E,0)P+{E,0).

(2)

При анализе процесса формирования вторичных ионов необходимо учитывать процессы, происходящие в возмущенной области твердого тела в период развития каскада (порядка Ю-13 с), а также свойства электронной подсистемы. Рассмотрим несколько моделей, которые описывают физическое состояние распыляемой области.

3.2.1. Модель электронного туннелирования

Для описания ВИЭ наиболее удачной оказалась модель электронного туннелирования, которая была впервые предложена Ван дер Вегом и Ролом [17] и состоит в следующем. При эмиссии атомной частицы из твердого тела происходит электронный обмен между ее атомным уровнем и делокалнзованнымн зонными электронными состояниями твердого тела

в

Emax) ЭВ

4 -

30° 50° 70° 90°

в

Рис. 5. Положение максимума энергетического распределения вторичных ионов Si+ в зависимости от угла их эмиссии в при облучении грани (111) кремния: a — Аг+, Ец = 10 кэВ, о = 45°; точки — эксперимент, кривая — расчет; б— экспериментальные данные для образца, нагретого до температуры Т к 800 К (1), 700 К (2); Ar+, Еи = 10 кэВ,

о = 0

Рис.6. Зависимости, определяющие изменение спектров вторичных ионов С+ при изменении угла эмиссии в для грани (0001) кристаллов слоистого графита (кривые 14) и нанопористого графита (5 ) при облучени

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.

Показать целиком