Физические превращения в веществах при облучении электронами

Движение ускоренных электронов в веществе сопровождается их торможением. Электроны теряют свою энергию в результате неупругих столкновениях с атомами и молекулами вещества. В атомарных крис­таллах возбуждение и ионизация атомов в результате неупругого столкновения с быстрыми электронами приводит к возникновению де­фектов решетки: образованию пары вакансия-междоузельный атом, нагреву решетки и возбуждению электромагнитного излучения, так называемого тормозного и характеристического рентгеновских излу­чений.

При взаимодействии быстрых электронов с веществами, состоя­щими из многоатомных молекул, происходят более сложные процессы, приводящие к радиационно-химическим превращениям. При воздействии на молекулы вещества быстрыми электронами, так же как и квантами света, g - квантами или ионами, возможен целый цикл первичных хи­мических превращение.

1. Возбуждение молекулы с последующей диссоциацией ее на ак­тивные частицы:

A^ + B^ (разложение на радикалы);

AB [AB]*

А⁺ + В^- (диссоциация на ионы).

2. Перегруппировка атомов в структуре молекулы под действием электронного удара:

А F A F * A G

\ / e \ / \ /

С = D  C = D  C = D

/ \ / \ / \

B G B G B F

3. Перемещение (аутомеризация) отдельных атомов из одной части конфигурации молекулы в другую:

H OH

/ \ e /

А O  A

\ / \\

B B

4. Присоединение к возбужденной молекуле другой молекулы:

A* + A  (A*A)  A₂ (димеризация)

A* + H₂O  HAOH (гидролиз)

A* + O₂  (A*O₂)  OAO (окисление)

5. Передача электронной энергии возбуждения от одной молеку­лы к другой или от одной части молекулы к другой:

A* + BC A + B* + C*.

В процессе радиационно химических превращений после осущест­вления первичных химических превращений возникают вторичные, или "темновые", реакции различных химических соединений.

1. Захват "тепловых" электронов:

AB + e^-  AB^-.

2. Диссоциативный захват электрона:

AB + e^-  A + B^-.

3. Рекомбинация иона с электроном или иона с молекулой:

AB + e^-  AB;

A⁺ + CD  AC⁺ + D.

Наиболее часто электронный луч используется для преобразова­ния полимерных материалов. По своей структуре полимеры подразде­ляются на линейные и пространственные (сетчатые). Линейные поли­меры образуются последовательным присоединением мономеров в одном направлении.

Так как полимеры состоят из макромолекул с различными масса­ми, то каждый полимер обладает собственным распределением по средним молекулярным массам. Средняя молекулярная масса полимеров может достигать 500 тыс. при степени полимеризации n ~ 70000. Средняя молекулярная масса определяется по формуле

При воздействии электронов на полимеры возможны два основных процесса: полимеризация - реакция поперечного сшивания молекул мономера и деструкция полимерных цепей на более короткие. Оба этих процесса могут идти параллельно с преобладанием какого-либо из указанных двух процессов.

"Сшитый" полимер, который не растворяется в растворителях, называется гелем. Гель формируется не сразу, а только при получе­нии полимером достаточной дозы облучения. Энергия облучения, при которой начинает образовываться нерастворимая сетка, называется дозой гелеобразования или гель-точкой. Оставшаяся растворимая фракция называется золем.

В электронной литографии полимерные материалы используются для изготовления электронорезистов, которые делят на позитивные и негативные. У позитивных резистов при проявлении удаляются за счет растворения экспонированных электронным лучом участки; у не­гативных удаляются необлученные электронами области резиста. В качестве позитивных резистов используются полиметилметакрилат (ПММА), полиметакриламид, поливинилхлорид, полиизобутилен и др. Для негативных резистов используются полистирол, полиглицидилак­рилат, полиэтилен, полиэфиры и полиамиды.

Электронные резисты характеризуются величиной, которая носит название дозы облучения К, Кл/см²:

К = jt,

где j - плотность тока электронного пучка, А/см²; t - время экс­позиции, с.

За чувствительность электронорезиста K_пор принимается доза облучения, необходимая для начала радиационно-химического превра­щения. Доза, определяющая 1005-ное преобразование полимера (пол­ную деструкцию или полимеризацию облучаемого участка пленки ре­зиста), обозначается через К₀. Для характеристики электронорезис­тов вводится также понятие контрастности электронорезиста , ко­торая определяется равенством

 = [lg(K_o/К_пор)]^-1.

Чувствительность электронорезистов составляет К_пор =(10^-5 - 10-7) Кл/см².