1.2.8.3. Истинно вторичные электроны.

Они составляют основную долю (до 90%) в общем эмиссионном потоке. Наиболее вероятная энергия вторичных электронов 3 – 5 эВ. Основная доля вторичных электронов имеет энергию до 50 эВ. Количество высокоэнергетических электронов (с энергией выше 50 эВ) составляет несколько процентов.

Важной характеристикой вторичных электронов является коэффициент вторичной эмиссии , равный отношению числа вторичных электронов к числу падающих. При малых Е₀, когда глубина проникновения первичного электрона R меньше или близка к глубине (l) выхода вторичных электронов (1 – 10 нм), коэффициент вторичной эмиссии линейно растет с увеличением Е₀ и определяется выражением

При больших Е₀, когда R >> l, коэффициент вторичной эмиссии обратно пропорционален Е₀.

Максимума коэффициент вторичной эмиссии достигает при энергии электронов Е'₀, численное значение которой зависит от материала поверхности и соответствует случаю, когда R приблизительно равно l. Например, для Be эта величина составляет 0,2 кэВ, для Au – 0,9 кэВ.

Для большинства металлов _m не превышает 2, а при наличии адсорбированных на поверхности слоев увеличивается в 1,5 – 2 раза. Для окислов, хлоридов и металлических сплавов _m достигает 5 – 15. Например, для BeO – 10, сплава Cu и Mg – 13.

1.2.8.4. Оже-электронная эмиссия.

Оже-электроны возникают в результате ионизации атомов твердого тела при выбивании электрона из внутренней оболочки атома. Механизм генерации Оже-электрона можно пояснить с помощью энергетической схемы рис. 1.9.

Рис. 1.9. Энергетическая схема образования Оже-электрона на примере перехода KLM: е_ — работа выхода электрона; E_i — энергетические зоны.

Здесь: е₁ – падающий первичный электрон с энергией 0,5 – 100 кэВ, равной или превышающей энергию связи электронов внутренних оболочек; е₂ – электрон ионизации атома; е₂₀ – Оже-электрон. Образованная падающим электроном вакансия в К оболочке занимается электроном с более высокой L оболочки. Выделяемая при этом энергия Е передается другому электрону этой оболочки, или электрону более высокой М оболочки, которые и называются Оже-электронами.

Энергия Оже-электронов лежит в интервале 0,2 – 2,2 кэВ. Энергетический спектр не сплошной, а имеет пики, которые обусловлены дискретными значениями Е. Оже-пики лежат на непрерывном фоне энергетического спектра неупругоотраженных электронов и размыты в сторону уменьшения энергии из-за энергетических потерь выходящего с поверхности Оже-электрона.

Поскольку энергия Оже-пика однозначно связана с энергетическим зазором внутренних уровней атома, каждому пику соответствуют атомы определенного химического элемента, находящиеся на поверхности или в приповерхностном слое.

1.2.10. Эмиссия электромагнитного иэлучения.

1.2.10.1. Тормозное излучение.

Возникает в результате торможения падающих электронов в поле ядер атомов и молекул твердого тела. В этом случае теряемая электроном энергия излучается в виде кванта света. Наибольшую интенсивность тормозное излучение имеет при энергии падающих электронов от 1 до 50 кэВ для материалов с большим Z.

Мощность тормозного излучения не превышает 10^-4 мощности падающего электронного пучка. Спектр излучения непрерывный. Минимальная длина волны тормозного излучения _min = 1,24/Е₀, где _min в мкм и Е₀ в эВ, и лежит в большинстве случаев в рентгеновском диапазоне. Максимум тормозного излучения соответствует ’, примерно равной 1,5 _min.

1.2.10.2. Характеристическое рентгеновское излучение.

Возникает при ионизации атомов твердого тела и выбивании электронов из внутренних оболочек. В этом случае выделяемая при заполнении вакансии энергия испускается в виде рентгеновского кванта. Спектр излучения линейчатый, состоящий из серии линий. Частота линий определяется по закону Мозли.

1.2.10.3. Люминесцентное излучение.

Возникает в результате излучательного тушения возбужденных состояний электронов внешней оболочки атомов, а также излучательного тушения колебательных уровней молекул твердого тела.

Спектр люминесцентного излучения линейчатый (тушение возбужденных состояний электронов атома) и полосатый (тушение колебательных уровней молекул). Спектральная область излучения от ультрафиолетовой (УФ) до инфракрасной (ИК).

1.2.10.4. Рекомбинационный континуум.

Возникает в результате излучательной рекомбинации (нейтрализации) ионов твердого тела, образованных в процессах ионизации, при их взаимодействии со свободными электронами. Спектр излучения непрерывный, так как электрон переходит их неквантованного энергетического состояния на энергетический уровень атома или молекулы. Область излучения от УФ до ИК.

1.2.10.5. Вторичная люминесценция.

Возникает в результате излучательного тушения возбужденных состояний электронов внешней оболочки и колебательных уровней молекул, образованных при движении рентгеновских квантов характеристического излучения в твердом теле

ЛЕКЦИЯ 4. 1.3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

1.3.1. Термическая обработка материалов.

Это процессы нагрева, плавления, испарения поверхностей, а также процессы образования плазмы из материала поверхности. Глубина термообработки зависит от Е₀, теплофизических свойств материала, плотности мощности, времени воздействия электронного потока и может составлять от долей мкм до единиц мм.

Примеры термической обработки.

• легирование полупроводников и получение твердых растворов.

Проводится путем локального нагрева нанесенной на поверхность пленки. Атомы пленки диффундируют с поверхности расплава и захватываются твердой фазой при ее кристаллизации.

• отжиг кристаллических поверхностей.

Это уменьшение количества дефектов (в первую очередь точечных) после ионной имплантации.

• структурные превращения в материалах.

Это нагрев поверхностей с целью изменения механических и химических ее свойств (закалка режущего инструмента для увеличения микротвердости и химической стойкости).

• вакуумный переплав.

Процесс используется для получения особо чистых твердых материалов, повышения их химической активности и термической стойкости.

• вакуумная плавка.

Используется при выращивании монокристаллов кремния методом Чохральского.

• восстановление металлических поверхностей.

Используется для раскисления металлических поверхностей. Процесс сводится к нагреву электронным лучом поверхности в среде углеродсодержащего газа

сварка.

Изменяя параметры процесса, можно получить различные соотношения глубины и ширины сварного шва.

• размерная обработка.

Это резка, образование отверстий и канавок различных контуров, подгонка толщины пленочных покрытий (резисторы пленочных ИС), обработка алмазов, кварца, керамики, кристаллического Si и Ge, изготовление дифракционных решеток.

• нанесение пленочных покрытий.

Проводится путем электронно-лучевого испарения материалов в вакууме и осаждения паров на подложки.

• образование микроплазмы из материала поверхности.

Проводится с целью изучения химического состава материала поверхности методом эмиссионной оптической спектроскопии, а также для получения световых потоков коротковолнового диапазона.

1.3.2. Радиационно-химические превращения.

• электронолитография.

Это процессы создания масок из полимерных органических материалов для локальной обработки поверхностей (травление, легирование, окисление, нанесение пленок) путем воздействия электронов на них. Электронолитография обладает рядом преимуществ перед оптической, а именно возможность получения элементов маски размером до 0,05 мкм, отсутствие шаблонов для экспонирования полимерных пленок.

• разложение металлоорганических соединений.

Процесс используется для получения поликристаллических пленок металлов и соединений GaAs и InP.

• стимуляция процессов травления и очистки поверхностей.

В этих случаях под воздействием электронного потока происходит диссоциация адсорбированных на поверхности молекул травящего газа и в результате увеличивается скорость химических реакций, приводящих к травлению поверхностей.

1.3.3. Генерация и преобразование электромагнитного излучения.

Типичный пример использования электронных потоков с этой целью – рентгеновские трубки, в которых генерируется характеристическое рентгеновское и тормозное излучение при энергии падающего электронного потока от десятков до сотен кэВ. Типичный пример преобразования энергии электронного луча в электромагнитное излучение – телевизионные кинескопы и дисплеи.

1.3.4. Анализ поверхности и тонких пленок.

а). Электронная Оже – спектроскопия.

Этот метод анализа основан на регистрации энергии и интенсивности (электронного тока) Оже – пиков, что позволяет определить атомы химического элемента приповерхностного слоя и их концентрацию соответственно. Основные характеристики метода:

б) Растровая электронная микроспектроскопия (РЭМ).

Метод основан на регистрации энергетического и пространственного распределения либо вторичных, либо упругоотраженных первичных электронов при сканировании поверхности сфокусированным электронным лучом.

в) Просвечивающая электронная микроскопия ПЭМ).

Метод основан на регистрации дифракционной картины прошедших через тонкие пленки (0,02 – 10 мкм) первичных электронов и их энергетического спектра. Используется для анализа структуры (тип решетки, дислокации, зернистость), фазового состава и наличия химических соединений.

г) Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).

Метод основан на регистрации интенсивности и длины волны линий характеристического рентгеновского излучения. Позволяет определить химический состав поверхности, структуру, типы химических связей.

ЛЕКЦИЯ 5. РАЗДЕЛ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И РАДИКАЛОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.