книги из ГПНТБ / Арифов У.А. Угловые закономерности взаимодействия атомных частиц с твердым телом

а к а д е м и я н а у к У З Б Е К С К О Й С С Р

И Н С Т И Т У Т Э Л Е К Т Р О Н И К И

У. А. АРИФОВ, А. А. АЛИЕВ

УГЛОВЫЕ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ФАН“ УЗБЕКСКОЙ ССР

Т а ш к е н т -1974

действия атомных частиц с твердым телом. Ташкент, Изд-во «Фан->

УзССР. Табл.—5, рис.—101, библ.—394 назв., стр.—286.

В книге излагаются результаты исследований угловых законо­ мерностей взаимодействия ионов и электронов малых (0,5—5 кэв) и средних (5—50 кэв) энергий с поли- и монокристаллическимн образцами твердых тел. Приведены новейшие данные об угловых закономерностях рассеяния частиц нонно-иоипой и электронноэлектронной эмиссий. Рассматриваются явления и закономерности, обусловленные влиянием кристаллической структуры и тепловых колебаний атомов решетки на процесс рассеяния частиц, особенно­ сти прохождения быстрых тяжелых частиц через кристаллическую решетку, в которой существенную роль играют фокусированные столкновения и взаимодействия, облегчающие движение частиц в кристалле.

Монография рассчитана на специалистов, работающих в обла­ сти физики взаимодействия частиц с твердым телом, в том числе приповерхностных явлений, а также на студентов и аспирантов по курсу физики твердого тела и физической электроники.

ВВЕДЕНИЕ

Успешное развитие электроники, покорение космоса, освоение новых источников энергии, создание материалов с за­ данными свойствами, проблема ввода в промышленность новых высокопроизводительных автоматизированных технологических линий и т. д. в решающей степени определяются тем, какими тем­ пами современная наука разрабатывает новые рабочие вещества— ионизованные газы, управляемые потоки частиц, низкотемператур­ ную плазму и т. д.

Ближайшие задачи в области промышленности связаны с разработкой и широким внедрением методов, устройств и систем, позволяющих осуществлять контроль и управление технологичес­ кими процессами на атомном и молекулярном уровнях.

В связи с этим в последние годы непрерывно растет интерес к явлениям, происходящим при бомбардировке твердых тел атомны-. ми частицами. Расширение физических исследований в этой обла­ сти обусловлено также появлением многих перспективных направ­ лений современной науки и техники, требующих знания механиз­ ма взаимодействия атомных частиц с твердым телом.

Если недавно физические процессы, вызванные ионной бомбар­ дировкой поверхности твердых тел, изучались лишь для выяснения причин, приводящих к искажению различных элементов ионных и электронных приборов, то в настоящее время знание механизма взаимодействия атомных частиц необходимо для толкования мно­ гих вопросов физики плазмы, физики твердого тела, радиацион­ ной физики, физики газовых лазеров, физики преобразований теп­ ловой энергии в электрическую и т. д.

Исследования вторичных процессов, происходящих при взаимо-. действии атомных частиц с твердым телом, имеют большое значе­ ние для техники ионного легирования полупроводников, электрон­ но-лучевой обработки вещества, электровакуумного приборострое­ ния, электронной и ионной микроскопии. Интерес к этим явлениям возрос также в связи с созданием ионных и плазменных двигате­ лей космических кораблей, конструированием электромагнитных

3

разделителей изотопов, ядерных и термоядерных реакторов, МГДгенераторов и др.

Вторичная ионно-ионная, ионно-электронная н электронно-элек­ тронная эмиссии широко применяются для измерения очень малых токов в масс-спектрометрии, для определения изотопических, при­ месных составов и получения изображения приповерхностных слоев твердого тела.

Развитие вакуумной техники, создание новых методов измере­ ний, обеспечивающих сохранение достаточно чистых условии на исследуемой поверхности, разработка аппаратуры для измерения малых токов, электромагнитного разделения изотопов (точечные ионные источники с сепарацией от нейтральных компонентов, ион­ но-оптические системы, электростатические анализаторы с высо­ кой разрешающей способностью, масс-апалнзаторы, устройства для регистрации отдельных частиц) позволяют ставить экспери­ менты в более чистых и контролируемых условиях (состав ионно­ го пучка и т. д.) и получать наиболее надежные и воспроизводимые результаты.

Быстрому росту исследований в области взаимодействия атом­ ных частиц способствует появление принципиально новых возмож­ ностей как для анализа экспериментальных результатов, так и для математического моделирования различных вторичных про­ цессов. Создание быстродействующих электронно-вычислительных машин позволило следить за целыми системами, состоящими из большого количества взаимодействующих частиц, не прибегая к упрощениям, обычным при решении проблемы многих тел анали­ тическими методами, и получать при этом более строгие количест­ венные выводы, допускающие сравнение с результатами экспери­

ментов.

Освоение промышленностью технологии выращивания крупных монокристаллов с заданной ориентацией дало возможность про­ водить эксперименты по изучению взаимодействия чзсгиц на об­ разцах с более конкретными параметрами. Большие успехи в по­ нимании механизма взаимодействия атомных частиц достигнуты благодаря применению монокристаллов в качестве исследуемых объектов. Установлены принципиально новые явления и законо­ мерности, обусловленные упорядоченным расположением атомов в кристаллическойрешетке (плотностью атомов на гранях, цепоч­ ками атомов, ориентацией ее плоскостей по отношению к пучку падающих частиц и т. д .). Появились теории, вполне удовлетвори­ тельно количественно описывающие многие из наблюдаемых эффектов (например, анизотропию катодного распыления, рассея­ ние ионов, ионно-электронную и электронно-электронную эмиссии, каналирование ионов, кратное рассеяние ионов, столкновение с цепочкой, влияние тепловых колебаний атомов решетки и г. д.). Эти теории способствуют не только более глубокому пониманию наблюдаемых "закономерностей, но и дальнейшему развитию по­ добных исследований.

4

Г л а в а I

УГЛОВЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАССЕЯНИЯ ИОНОВ ПОЛИКРИСТАЛЛАМИ

При взаимодействии потока атомных частиц с твердым телом одновременно протекает ряд сложных процессов. В началь­ ный период исследования предполагалось, что бомбардирующая атомная частица вызывает эмиссию вторичных ионов (положитель­ ных и отрицательных), нейтральных атомов (катодное распыле­ ние) и электронов. Это была первоначальная упрощенная схема явлений взаимодействия.

Однако, как показали работы последних лет, картина вторич­ ных процессов, происходящих при бомбардировке твердых тел атомными частицами, гораздо сложнее как в отношении разнооб­ разия явлений, так и типа вторичных частиц.

Бомбардирующая частица — положительный или отрицатель­ ный (одно- и многозарядный) ион, электрон, фотон, позитрон или нейтральный атом, — попадая на поверхность твердого тела, мо­ жет испытать упругое или неупругое рассеяние на переднюю полу­ сферу как с изменением, так и без изменения заряда. В зависи­ мости от условий первого столкновения с атомами мишени бомбар­ дирующая частица может не только рассеяться на передней полу­ сфере, но и проникнуть в глубь твердого тела или адсорбироваться на его поверхности. Если энергия бомбардирующей частицы доста­ точно большая (десятки кэв), а твердое тело взято в виде плен-

О

ки толщиной несколько сот А, то она может пройти через нее и рассеяться на заднюю полусферу как с изменением, так и без из­ менения зарядового состояния. Кроме того, если пленка имеет моцокристаллическую структуру, то бомбардирующие частицы могут каналироваться, т. е. проходить через кристаллическую решетку пленки с малыми потерями энергии.

При взаимодействии бомбардирующих частиц с атомами твер­ дого тела одновременно с процессом рассеяния частиц как на переднюю, так и на заднюю полусферы, происходит также выби­ вание (катодное распыление) атомов материала мишени в виде положительных (в том числе многозарядных) и отрицательных ионов, а также нейтральных атомов (в том числе метастабильных); могут выбиваться и электроны (ионно-электронная эмиссия). При

6

наличии на поверхности адсорбированных атомов также осущест­ вляется их выбивание под действием первичных частиц в таких же разнообразных видах, как и выбитые частицы мишени.

При достаточной начальной энергии часть бомбардирующих частиц, проникая в глубь мишени, создает радиационные дефекты

ипри движении к поверхности может выбивать частицы мишени,

атакже участвовать в тепловом движении атомов мишени. Часть этих внедрившихся атомов вследствие диффузии может выйти к поверхности мишени и образовать на ней слой адсорбированных

атомов. Последние мигрируют в результате теплового движения и при высоких температурах испаряются, покидая поверхность ми­ шени в виде положительных, отрицательных и нейтральных частиц; происходит также термическая эмиссия электронов и адсорбиро­ ванных атомов. Если мишень представляет собой пленку толщиной

О

несколько сот А, а энергия бомбардирующих частиц больше гра­ ничной энергии прострела, то термическая эмиссия адсорбирован­ ных частиц происходит и с обратной стороны пленки.

Кроме того, при высоких температурах может наблюдаться термическая эмиссия частиц мишени как с передней, так и с об­ ратной стороны ее в виде положительных, отрицательных ионов, нейтральных атомов, а также эмиссия термоэлектронов.

В момент соударения происходит испускание электромагнитно­ го излучения и при выходе частиц с тыловой стороны мишени — испускание вторичных электронов как из бомбардирующих атомов,

кие элементы) поверхности как в нейтральных, так и в заряжен­ ных состояниях.

Каждое явление количественно характеризуется соответствую­ щим коэффициентом вторичной эмиссии — числом вторичных час­ тиц, приходящихся на одну падающую частицу:

1)коэффициент вторичной ионно-ионной эмиссии

2)коэффициенты вторичной ионно-электронной и электронно электронной эмиссий

3)коэффициент прохождения т] и поглощения v частиц

7

Аналогично определяются коэффициенты других видов эмис­

обычно устанавливаются в зависимости от энергии, массы, потен­ циала ионизации, заряда, угла падения первичных частиц, от при­ роды, структуры п состояния поверхности, а также от температу­ ры образца. Кроме того, изучаются состав, зарядовое состояние, угловое, пространственное и энергетическое распределения вто­ ричных частиц. Исследуются также энергетические пороги различ­ ных вторичных явлений.

В последние годы в результате значительного расширения иссле­ довании взаимодействия атомных частиц с монокристаллами, установлен ряд новых эффектов и закономерностей. Для их опи­ сания потребовались новые термины и обозначения, которые прочно утвердились в терминологии физической электроники: эффект кана­ лирования, эффект теней, локальных и плоскостных темей, каналы и полуканалы, эффект блокировки, анизотропия рассеяния, кратное рассеяние, эффект цепочки, структурность энергетического спектра, анизотропия пространственного и углового распределений, катод­ ного распыления, ионно-электронной, электронно-электронной эмис­ сий и т. д.

Так как названные эффекты и закономерности обусловлены своеобразным поведением частиц в кристаллической решетке об­ разца, появилась необходимость введения новых углов дополнитель­ но к традиционным угловым параметрам, используемым при иссле­ довании угловых зависимостей' взаимодействия частиц с поликрис­ таллами. Для удобства дальнейшего изложения уточним применяе­ мую терминологию и угловые обозначения.

Угол падения частиц Ф — угол между направлением падения пучка первичных частиц и нормалью к поверхности мишени. Угол вылета вторичных частиц 0 — угол между нормалью к поверхности мишени и направлением вылета вторичных частиц. Угол рассеяния частиц р — угол между направлением распространения пучка и на­ правлением вылета вторичных частиц (или р = л— (Ф + 0)). В неко­ торых работах вместо угла падения берут угол скольжения г|), т. е. угол между направлением скользящего падения пучка и по­ верхностью (ф = 90°—Ф) и аналогично угол вылета (рис. 1).

В случае монокристаллической мишени азимутальный угол по­ ворота мишени ср назовем углом между плоскостью падения и кристаллографической осью (например, ось [ПО], см. рис. 1) среза мишени. Азимутальный угол рассеяния у будем именовать углом между направлением вылета вторичных частиц и плоскостью па­ дения. Проекцию угла у на плоскости среза мишени назовем зеркальным углом азимутального рассеяния б, а угол е — симмет­ ричным углом азимутального поворота мишени, угол между на­ правлением распространения падающего пучка и направлением вылета частиц вне плоскости — полярным углом рассеяния у.

8

Согласно общепринятой терминологии под «рассеянием» подра­ зумевается любое отклонение частицы от первоначального напоавления вследствие взаимодействия с атомами твердого тела, газа или жидкости. В это понятие входит как измененное движение частицы внутри вещества, так и вне его. Чтобы отличить эти две части потока рассеянных частиц, употребляют термины «отра­

жение» (для Ф = 0 — «зеркальное отражение») и «внедрение». Иногда говорят также «вторичные частицы» или «частицы, рас­ сеянные поверхностью твердого тела», имея в виду лишь часть потока, направленную наружу. В дальнейшем мы будем исполь­ зовать оба термина, отдавая, однако, предпочтение «рассеянию», как более подходящему и распространенному.

§1 . КРАТКИЙ ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО УГЛОВЫМ ЗАКОНОМЕРНОСТЯМ РАССЕЯНИЯ ИОНОВ

Первые работы по изучению углового и энергетического распределений вторичных ионов, рассеянных твердым телом, были опубликованы в 30-х годах [104, 272, 314, 355, 366, 391J. В них исследовались угловое и энергетическое распределения щелочных ионов, рассеянных поверхностями поликристаллических мишеней, в зависимости от природы, энергии и угла падения бомбардирую­ щих ионов, а также от материала, состояния поверхности и темпе­ ратуры бомбардируемой мишени. Результаты большинства из этих исследований' из-за плохих вакуумных условий п недостаточной

9