Контрольные вопросы
Какие причины возникновения потенциального барьера для электронов на границе твердое тело-вакуум?
Что такое работа выхода для электрона? Чему равна ее величина для металлов?
Какие основные положения зонной теории?
Какая зона называется валентной, зоной проводимости?
Что такое электронная эмиссия?
Назовите основные виды электронной эмиссии.
Какие материалы используются для изготовления термокатодов?
Какие причины расплывания интенсивных электронных пучков?
Основные методы фокусировки пучков заряженных частиц.
Сущность магнитной, электростатической и газовой фокусировок пучков заряженных частиц.
Почему в установке для электроннолучевой обработки следует поддерживать низкое давление? Какая величина этого давления?
Физическая сущность упругих и неупругих взаимодействий электронов с поверхностью твердого тела.
Что такое фонон?
Причины появления электронов упруго отраженных от поверхности.
Вследствие каких причин появляется тормозное излучение?
Укажите причины появления плазмонов.
Сущность вторичной электронной эмиссии.
Оже-эффект, его использование в спектроскопии.
Назовите причины возникновения радиационной проводимости.
Физическая сущность десорбции, образования дефектов и химических реакций, стимулированных электронной бомбардировкой.
Какая особенность присуща технологии обработки материалов с помощью электронных пучков?
Достоинства и недостатки электроннолучевой обработки.
Основные особенности электроннолучевой плавки и сварки, размерной обработки электронным пучком?
3. Физические основы ионной технологии
3.1. Взаимодействие ионного пучка с твердым телом
Ионные пучки достаточно просто получают из газоразрядной плазмы. Если поместить отрицательно заряженный электрод в плазму, то к нему устремятся положительно заряженные ионы. Электроны же плазмы отсекаются отрицательным потенциалом этого электрода. Выделенные электродом-экстрактором положительные ионы ускоряются в вакууме с помощью системы электродов и направляются на обрабатываемый образец – мишень. При транспортировке ионных пучков, так же как и электронных, используется магнитная, электростатическая и газовая фокусировки. В зависимости от технологической необходимости в ионном источнике можно получить поток ионов различной энергии и плотности. Используя в качестве плазмообразующего газа самые разные химические вещества, можно получить ионы практически всех элементов таблицы Менделеева, атомарные, молекулярные, однозарядные и многозарядные, положительные и отрицательные. Все это позволяет использовать ионную обработку для самых разнообразных технологических целей.
При движении от
ионной пушки к мишени, ионы сталкиваются
с атомами
и молекулами
газов и
паров, теряя энергию и направление
движения. Происходит также явление
перезарядки,
заключающееся в том, что ион захватывает
электрон у атома и продолжает движение
в нейтральном состоянии, в котором он
уже не поддается воздействию управляющей
и фокусирующей систем установки. Чтобы
эти явления не оказывали существенного
влияния на технологический процесс,
вакуум в системе должен быть не хуже,
чем
Па.
Когда расстояния между ионом и поверхностью становится порядка атомных, то возможны процессы нейтрализации иона одним из электронов мишени. При этом возможен оже-процесс, когда высвободившаяся энергия передается безызлучательно другому электрону твердого тела, который выходит в вакуум. Наблюдаемая в этом случае эмиссия электронов называется потенциальной электронной эмиссией. Она используется в ионно-нейтрализационной спектроскопии для анализа распределения энергетических состояний валентных электронов.
Под действием бомбардировки твердого тела происходит разрушение адсорбированных на поверхности химических соединений, десорбция инородных атомов и молекул, также возможно протекание между ними химических реакций, стимулированных ионным пучком. Эти явления используется для очистки поверхности твердого тела от загрязнений различного рода.
Проникнув в твердое тело ионы взаимодействуют с атомной структурой вещества, теряют свою энергию и рассеиваются. С энергетической точки зрения столкновения подразделяются на два класса: упругие и неупругие. Рассмотрим вкратце основные виды неупругих взаимодействий.
Так же как и при электронной бомбардировке, при проникновении ионов в твердое тело при высоких энергиях налетающих частиц возможно появление тормозного и переходного излучения. При возбуждении электронов твердого тела в результате неупругих взаимодействий с энергичными ионами происходит увеличение числа свободных электронов и «дырок». Возбужденные электроны, имея энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера, могут выйти в вакуум. Это явление называется кинетической электронно-ионной эмиссией. При заполнении нижних свободных энергетических уровней вышележащими электронами выделившаяся дискретная порция энергии может быть передана безызлучательным путем другому электрону, который выходит в вакуум (оже-процесс). Анализ энергий таких электронов лежит в основе ионной оже-спектроскопии.
Возникновение в результате ионной бомбардировки свободных электронов и «дырок» приводит к увеличению проводимости вещества (радиационная проводимость).
При рекомбинации электронов и «дырок» возможно испускание квантов света (ионолюминесценция). Спектр их излучения лежит в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой области спектра. При заполнении глубоких электронных вакансий может появиться характеристическое рентгеновское излучение.
При ионной бомбардировке возможно изменение коэффициентов диффузии примесей (ионно-стимулированная диффузия), образование радиационных дефектов или же происходит радиационно-стимулированный отжиг, в облучаемом объеме могут стимулироваться различные химические реакции.
Рассмотрим процессы, происходящие при упругом взаимодействии потока ионов с твердым телом. При взаимодействии с атомами вещества возможно отражение ионов от твердого тела. Анализ энергии и углов отражения ионов позволяет определить элементный состав поверхности мишени (метод обратного рассеяния медленных ионов) и распределение атомов по глубине (метод обратного рассеяния быстрых ионов).
Под действием потока энергичных ионов атомы мишени смещаются из положений равновесия, при достаточной энергии происходит выбивание атомов из узлов кристаллической решетки. Таким образом, в твердом теле появляются радиационные дефекты. Значительное их количество может привести к изменению механических, электрических, оптических и других свойств твердого тела. Образование дефектов может привести к фазовым переходам (например, переходу из кристаллического в аморфное состояние). Упругие процессы, так же как и неупругие, ведут к радиационно-стимулированной диффузии и отжигу.
В результате каскада столкновений атомы мишени могут получить импульс, направленный в сторону границы твердое тело-вакуум и выйти из мишени. Таким образом, происходит распыление вещества, широко используемое для очистки поверхности мишени или удаления материала с определенных участков образца (ионное травление). Распыление вещества с последующим его осаждением на подложку позволяет осуществить напыление тонких пленок. Анализ распыленных частиц дает представление о составе мишени (вторичная ионная масс-спектрометрия).