WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 9 04;11;12 Эмиссия электронов в условиях легирования поверхности катода быстрыми частицами рабочего газа © А.П. Бохан, П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский Институт физики полупроводников СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: bokhan@isp.nsc.ru (Поступило в Редакцию 20 июля 2004 г.) Исследовано воздействие быстрых заряженных и нейтральных частиц на эмиссионные свойства материалов. Поток быстрых атомов и ионов во многих плазменных устройствах приводит к созданию и автоматическому поддержанию особого состояния приповерхностного слоя катода. Оно возникает вследствие его насыщения на глубину в несколько монослоев атомами рабочего газа. Это изменение разным образом воздействует на различные виды эмиссии. Потенциальная эмиссия, происходящая под действием атомов в метастабильных состояниях и ионов, ослабляется из-за повышения работы выхода.

Кинетическая эмиссия, обусловленная воздействием быстрых тяжелых частиц, наоборот, усиливается благодаря увеличению энергетических потерь в модифицированном приповерхностном слое. Фотоэмиссия под действием резонансного излучения значительно возрастает и изменяется ее механизм.

1. Плазменные устройства, в которых генерируются составляет 25 (E — напряженность поля, N — пучки заряженных и нейтральных частиц (электронов, концентрация частиц, 1 Td = 10-21 V · m2). Радиус атоионов и атомов), интенсивно применяются в совре- ма Ar на уровне энергии взаимодействия 5 eV, равной менных науке и технике, от устройств для магнитного энергии выхода, составляет 1.85 [7]. Следовательно, в удержания плазмы до травления полупроводниковых приповерхностном объеме формируется более 6 моноструктур. Важнейшим параметром, определяющим их слоев Ar при плотности в монослое 1019 m-2. При свойства, является эмиссионная способность конструкт- токе 10 A/m2 поток быстрых атомов и ионов составляет ционных материалов, подвергающихся бомбардировке 2 · 1020 m-2 · s-1, в то время как обратный диффубыстрыми тяжелыми частицами и фотонами вакуумного зионнный поток слабее на порядки. Энергия отрыва ультрафиолетового (ВУФ) диапазона длин волн. Эмис- электрона от атомов, таких как водород в токамаках сия под их воздействием изучается уже около века. или высокотемпературных ловушках, инертные газы в Поэтому к настоящему времени накоплен огромный разрядах, значительно превосходит свободную энергию объем теоретических и экспериментальных результатов. конструкционных материалов. Поэтому имплантированОднако попытки их использования при моделировании, ных рабочие частицы находятся в атомарном состоянии.

например аномальных газовых разрядов, часто исполь- В результате поддерживается насыщенность приповерхзуемых в этих технологиях, привели к получению „про- ностного слоя частицами бомбардирующего его вещетиворечащего физике поведению электрических харак- ства.

теристик“ [1], в частности к падающей вольт-амперной Благодаря обменному взаимодействию, увеличиваюхарактеристике (ВАХ) [1,2]. В результате, несмотря щему сечение неупругих потерь при столкновении одина предпринятые значительные усилия, авторы [3–5] наковых атомов, вероятность ионизации имплантированпришли к выводу о том, что эмиссия в рассматриваемых ных атомов значительно увеличивается. Так как кинетиусловиях принципиально непредсказуема. ческая часть коэфффициента ион-электронной эмиссии Разрешение подобного противоречия требует иного пропорциональна неупругим потерям энергии частиц в подхода к проблеме, в частности принятия предположе- материале катода [8], т. е. ic (dw/dx)i, то тем самым ния об особом состоянии вещества в приповерхностных снижается порог и повышается выход эмиссии. Длина слоях, значительно изменяющего эмиссионные свойства свободного пробега образующихся электронов составляматериалов. Выяснение физической природы таких из- ет десятки ангстрем [9], так что вклад в эмиссию дает менений и механизм их влияния на эмиссию являются весь модифицированный слой. Для потенциальной эмисцелью данной работы. сии имплантированные атомы из-за большой энергии 2. Ранее не рассматривавшимся механизмом модифи- их ионизации создают дополнительный барьер, повыкации поверхности при бомбардировке вещества части- шающий работу выхода [8]. Поэтому выход электронов цами с энергией в диапазоне доли-единицы keV является уменьшается.

их имплантация в приповерхностные слои. Например, На рис. 1 (кривая a) приведен рассчитанный на основе в газовом разряде в Ar с Cu катодом при напряжен- рассматриваемой модели коэффициент кажущейся эмисности поля в прикатодной области E/N = 100 kTd или сии ap для Cu при бомбардировке атомами и ионами Ar средней энергией ионов и быстрых атомов 500 eV глу- в аномальном разряде в широком диапазоне изменебина проникновения, рассчитанная согласно работе [6], ний E/N. Для коэффициента потенциальной эмиссии Эмиссия электронов в условиях легирования поверхности катода... быстрыми частицами рабочего вещества, бомбардирующими катод.

3. Имплантация рабочих атомов в приповерхностные слои приводит к радикальным изменениям механизма фотоэмиссии. Для ВУФ излучения с <100 nm коэффициент поглощения в металлах быстро уменьшается, что приводит к резкому падению выхода электронов p под действием фотонов [2,14,15]. Для имплантированных атомов, например, гелия сечение поглощения резонансного излучения, рассчитанного для доплеровского контура, имеет порядок 10-17 m2. Это соответствует полному поглощению на длине 10-2 монослоя атомов гелия. В этих условиях происходит быстрая дезактивация резонансного состояния в оже-процессах, соизмеримая или даже более быстрая по сравнению с радиационным распадом [8]. Реализующийся по этому механизму коРис. 1. Зависимость кажущегося коэффиента эмиссии ap от эффициент эмиссии p, по нашим сведениям, ранее не приведенной напряженности поля на катоде: a —по модели измерялся.

настоящей работы; b, c — по модели [3] для „чистой“ и Экспериментальное исследование фотоэмиссии от „загрязненной“ поверхностей; экспериментальные результаты:

приповерхностных атомов проведено на установке, опи1 — [1], 2 — [10], 3 — [11], 4 — [12], 5 — [13].

санной в [16]. Исследуемая ячейка содержит ускорительный зазор длиной l = 10-3 m, образованный сетчатым анодом и сплошным Fe катодом. Ускоренпринималось значение i p = 0.03 из измерений в реаль- ные электроны регистрируются коллектором. Ток в ных газоразрядных условиях [1]. Вклад в кинетическую ускорительном зазоре описывается соотношением [5] эмиссию дает взаимодействие быстрых тяжелых частиц i = i0 exp Nl/ 1 - ap(exp Nl - 1), где i0 — ток эмискак с материалом катода, так и с внедренными в него сии, вызванный искусственной фотоподсветкой из дрейатомами аргона. Эмиссия под действием ионов и ато- фового пространства; — таунсендовский коэффициент мов Ar из Cu катода рассчитывалась согласно аппрок- размножения электронов.

симации [3] для материала, очищенного распылением На рис. 2 приведен пример ВАХ такого разряда в в разряде ic,a = 5 · 10-5kTi1.2 exp(-300/kTi,a), где k — гелии. Из набора ВАХ при разных давлениях и i0 можно,a постоянная Больцмана, Ti,a — температура тяжелых ча- определить ap и, входящие в выражение для i. При стиц. В свою очередь kTi,a = 1.9 · (E/N)1.1, kT выражена в eV, а E/N — в kTd. Принималось во внимание, что на один ион приходятся два быстрых атома [10]. Эмиссия, обусловленная взаимодействием с имплантированным аргоном, вычислялась согласно общему соотношению ic = (dw/dx)i [8], где = 10-11 m · (eV)-1. Энергетические потери вычислялись исходя из величины ионизационного коэффициента и коэффициента возбуждения резонансных состояний из [3], а упругих потерь — согласно работе [6].

Расчеты коэффициента извлечения вторичных электронов в настоящее время неточны, поэтому кривая 1 на рис. 1 калибровалась в одной точке при E/N = 100 kTd, согласно данным [4], ap = 0.27. На рис. 1 также приведены современные экспериментальные результаты.

Для сравнения кривыми b и c показаны результаты расчета ap по моделям соответственно „чистой“ и „загрязненной“ поверхностям [3], которые характеризуют разброс значений ap, вытекающий из неопределенности состояния поверхности. Видно, что предложенная модель устраняет этот разброс и находится в хорошем Рис. 2. Зависимость от приведенной напряженности поля E/N согласии с экспериментальными данными. В частности, тока i в ускорительном зазоре, кажущегося коэффициенона объясняет значительное снижение энергетическота эмиссии ap (1 — P = 5 Torr; 2 — P = 8.8 Torr; 3 — го порога для кинетической эмиссии, обусловленное P = 15 Torr); коэффициент Таунсенда и рабочей темперавозбуждением и ионизацией имплантированных атомов туры T.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 128 А.П. Бохан, П.А. Бохан, Дм.Э. Закревский малых E/N (до E/N 700 Td), где ap слабо зависит Работа выполнена при частичной поддержке от E/N, основной вклад вносит потенциальная эмиссия с Российского фонда фундаментальных исследований коэффициентом i p = 0.158 ± 0.007. Это соответствует, (грант № 04-02-17407).

согласно формуле из [17] i p = 0.032 · (0.78Ei - 2 ), работе выхода = 7.1 eV по сравнению с = 4.3eV для Список литературы чистой поверхности катода (здесь Ei — энергия ионизации атома, бомбардирующего катод). Отметим, что [1] Maric D., Kutasi K., Malovic G. et al. // Eur. Phys. J. D. 2002.

для разряда в Ar, согласно данным рис. 1, = 5.67 eV Vol. D21. N 1. P. 73–81.

по сравнению с 4.4 eV для чистой меди. Следовательно, [2] Phelps A.V., Pichford L.C., Pedoussat C. et al. // Plasma имплантированный He, как и следует из теории потенSources Sci. Technol. 1999. Vol. 8. N 4. P. B1–B2.

циальной эмиссии [8], создает более высокий барьер для [3] Phelps A.V., Petrovic Z.L. // Plasma Sources Sci. Technol.

выхода электронов, чем Ar.

1999. Vol. 8. N 3. P. R21–R44.

По мере роста E/N существенный вклад вносят [4] Phelps A.V. // Plasma Sources Sci. Technol. 2001. Vol. 10.

N2. P. 329–343.

другие механизмы эмиссии. При напряжении U > 600 V, [5] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

когда процессы возбуждения и ионизации в зазоре 590 с.

значительно ослаблены из-за падения ([18] и рис. 2), [6] Wilson W.D., Haggmark L.G., Biersack J.P. // Phys. Rev.

основной вклад в эмиссию вносит фотоподсветка из B. 1977. Vol. 15. N2. P. 2458–2468.

дрейфового пространства, вызванная торможением быс[7] Никулин В.К. // ЖТФ. 1971. Т. 41. Вып. 1. С. 41–47.

трых электронов. Небольшой рост ( i,a = 0.008 при [8] Varga P., Winter H. // Particle Induced Electron Emission II / U = 630 V) вносит, согласно данным по i,a для гелия Ed. G. Hohler. Springer Tracts. Mod. Phys. 1992. Vol. 123.

из [19], кинетическая эмиссия электронов. СледовательP. 149–215.

но, вклад фотоэмиссии в ap составляет ph = ap [9] Devooght J., Dehaes J.-C., Dubus A. et al. // Ibid. 1991.

-i p - i,a = 0.78. Расчет количества фотонов Nph, Vol. 122. P. 67–128.

достигших катода, проводился с учетом следующих [10] Bogaerts A., Gijbels R. // Plasma Sources Sci. Technol. 2002.

процессов возбуждения: а) от лавины размножающихся Vol. 11. N1. P. 27–36.

электронов в зазоре; б) от рассеянных от анода [11] Donko Z.J. // Appl. Phys. 2000. Vol. 88. N 5. P. 2226–2232.

быстрых электронов; в) в провисающем за анод поле; [12] Kutasi K., Donko Z. // J. Phys. D. 2000. Vol. 33. P. 1081–1089.

[13] Donko Z. // Phys. Rev. E. 2001. Vol. 64. P. 026401-1–026401г) благодаря ускоренным электронам, стартовавшим 9.

с катода, образованным в зазоре и вылетевшим [14] Walker W.C., Rustgi O.P., Weissler G.L. // JOSA. 1959.

в дрейфовое пространство. Суммарное количество Vol. 49. N 5. P. 471–475.

фотонов на один эмиттированный электрон составило [15] Cairns R.B., Samson J.A.R. // JOAA. 1966. Vol. 56. N 11.

Nph = 3.5 при U = 630 V, что дает коэффициент P. 1568–1573.

эмиссии p = ph/Nph = 0.22 по сравнению с p 0.[16] Бохан А.П., Бохан П.А. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27.

для чистой поверхности [3]. Теоретическая величина Вып. 6. С. 7–12.

коэффициента эмиссии от возбужденных атомов, рас[17] Baragiola R.A., Alonso E.V., Ferron J., Oliva-Florio A. // Surf.

считанная по формуле r = 0.032 · (0.78Er - ) [8,17], Sci. 1979. Vol. 90. P. 240–255.

равна r = 0.3 (Er — энергия возбуждения резонансных [18] Ткачев А.Н., Яковленко С.И. // Письма в ЖЭТФ. 2003.

состояний). Из этого следует, что более 70% Т. 77. Вып. 5. С. 264–268.

возбужденных в поверхностном слое атомов гелия [19] Hartmann P., Matsuo H., Ohtsuka Y. et al. // Jap. J. Appl.

дезактивируются в оже-процессах с выходом электронов. Phys. 2003. Vol. 42. P. 3633–3640.

Таким образом, автоматическое модифицирование под действием быстрых рабочих частиц приповерхностной области толщиной в несколько моноатомных слоев приводит к радикальному изменению эмиссионнных свойств материалов. Для потенциальной эмиссии под действием ионов и кинетической под действием быстрых тяжелых частиц изменения носят количественный характер, без изменения механизма. Потенциальная эмиссия уменьшается, а кинетическая увеличивается с одновременным снижением энергетического порога. Механизм фотоэмиссии изменяется полностью и осуществляется в две стадии: 1) возбуждение резонансного состояния имплантированных атомов и 2) их дезактивация в ожепроцессах с выходом электронов. Коэффициент эмиссии при этом значительно возрастает по сравнению с чистой поверхностью. Полученные результаты дают хорошее согласие с современными экспериментами, выполненными в контролируемых условиях.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.