
130 Глава 5
1100 |
|
|
• |
• |
|
|
|
||
1000 |
|
|
|
|
900 |
|
|
|
|
800 |
|
|
|
|
700 |
2,0 МэВ ГЕЛИЙ |
|
|
|
|
|
|
|
|
q: |
НА ВОЛЬФРАМЕ |
|
|
|
§ 600 |
|
|
|
|
..а |
|
|
|
|
CQ |
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
300 |
|
|
|
|
200 |
<100> |
|
|
|
100 |
|
о |
|
<оо |
|
о~СЬ |
|||
|
|
|||
1.52 |
1.60 |
1.68 |
|
1.76 |
|
|
ЭНЕРП1Я, МэВ |
Рис. 5.16. Спектры обратного рассеяния ионов гелия с энергией 2,0 МэВ, падающих на чистую поверхность W(001) вдоль направеления <100> (белые кружки) и вдоль направле ния, не совпадающего с главными кристаллографическими осями (черные кружки). От метьте, что во втором случает. н. случайного спектра размер спектра уменьшен в 10 раз
сталлографической осью, (разориентированный спектр). Поверхностный пик от четливо виден и соответствует приблизительно двум атомам на ряд (р/Rм = 0,65). Рассеяние от объема кристалла в такой ориентированной геометрии приблизи
тельно на два порядка меньше, чем выход рассеяния при неориентированном па
дении из-за эффекта объемного каналирования. Именно подавление рассеяния в объеме образца, которое наблюдается в спектре от ориентированного кристалла,
позволяет провести измерения поверхностного пика.
5.7. Затенение подложки Ag (111) эпитаксиальным Au
Важным применением ионного рассеяния является изучение начальных ста
дий эпитаксии. Возможность контроля эпитаксиального роста, начиная с самого первого монослоя, продемонстрирована на рис. 5.15г. Если осажденные на по
верхность атомы располагаются в точности над атомами подложки, то конусы
Каналирование ионов |
131 |
тени, создаваемой этими адсорбированными атомами, будут экранировать атомы
подложки от падающего пучка ионов.
Этот принцип затенения показана на рис. 5.17 для случая осаждения монослоя золота на поверхности серебра (111). На верхней части рисунка изображен попе речный срез поверхности (111). Плоскость рисунка совпадает с плоскостью (011) серебра, в которой находится также направление нормального падения <111> и наклонного падения <110>. Вдоль направления <111> ионный пучок «видит» только первые три монослоя серебра без дополнительных покрытий на его по верхности; в то время как в направлении <011> виден только первый монослой. На рис. 5.17 показан спектр обратного рассеяния ионов гелия с энергией 1,0 МэВ, падающих по направлению <110> на чистую поверхность серебра и на поверх
ность, покрытую приблизительно одним, тремя и четырьмя монослоями золота.
Уменьшение интенсивности поверхностного пика серебра в присутствии пленки
золота напрямую свидетельствует о том, что атомы в слое золота упорядочены по
отношению к атомам серебряной подложки, т. е. имеет место эпитаксия золота на серебре. Более высокая точность в определении степени упорядоченного согласо
вания в расположении атомов при нанесении очередных монослоев имеет место
' ~-··
о
о~
Ag |
|
Au |
|
|
1 MeV |
||
г--"--.~ ~110) |
|||||||
|
|||||||
•••• 00 |
. ---- |
|
|
||||
• |
• |
о |
о0 |
|
|
||
•••• |
(111) ... |
|
|||||
• • |
• |
о |
|
|
• |
|
|
• |
|
•• |
00 |
|
• |
|
|
|
|
/l |
\ |
|
|
||
|
(а) (Ь) (с) (d) |
• • |
|
||||
|
|
|
|
|
|
о
--....... ~:•оооос•8
•. __ . 3.8 ml
|
|
|
о |
|
|
о |
|
|
..,&,.. |
|
о |
|
|
|
|
|
- |
|
~2.9ml |
мn &цr1z |
Ag .... |
|
°'• Au |
'/...., |
• |
||
|
• |
:•/ |
|
|
• |
|
|
"-o.7ml
6'о
Не+
d
с
ь
оо
|
|
|
J |
о |
|
|
|
|
|
|
о~ |
|
O.Oml а |
||
о |
|
|
|
|
|
||
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1000 |
||
700 |
ЭНЕРГИЯ, МэВ
Рис. 5.17. Спектры обратного рассеяния ионов гелия с энергией 1,0 МэВ, падающих вдоль
направления <110> на чистую (а) (111) поверхность серебра, на поверхность, покры тую слоем золота различной толщины (Ь), (с) и (d). Интенсивность поверхностного пика уменьшается из-за адсорбции
132 Глава5
для направления <110>, для которого все возможные положения атомов серебра
экранируются единственным монослоем золота.
Уменьшение интенсивности поверхностного пика в зависимости от толщины покрытия золотом показано на рис. 5.18 для низкотемпературной эпитаксии (140 К) и для анализа в направлении <011>. Сплошная линия показывает результат
компьютерного моделирования, в котором предполагается, что атомы золота рав
номерно покрывают поверхности слой за слоем. Соответствие эксперименталь
ных результатов и расчетной кривой показывает, что золото образует однородное
эпитаксиальное покрытие.
Обнаружение первого монослоя золота на Аg-подложке возможно с помощью уменьшения поверхностного пика серебра. Образование последующих Аи-слоев на исходном Аu-слое можно проконтролировать по эффекту затенения золота зо лотом. Отношение сигнала Au для направления пучка вдоль <О11 > к сигналу для разориентированного направления -Xmin(Au)- имеет разрыв при толщине покры
тия, равной одному монослою, и существенно снижается при дальнейшем увели
чении толщины (см. рис. 5.18). Штриховой линией показана кривая, полученная
в результате компьютерного моделирования. Соответствие экспериментально по лученной кривой и зависимости, рассчитанной при помощи компьютерного мо
делирования, подтверждает факт эпитаксии золота. Уменьшение интенсивности поверхностного пика от серебра с увеличением толщины покрытия золота явля ется мерой сопряжения эпитаксиального слоя с подложкой; уменьшение Xmin(Au) характеризует качество эпитаксиальной пленки.
~·
~3.0
о
<:
>::S: ~ 2.0
~~ ~:f
6:: 1.0
~
о
|
|
|
AJJ/Ag (111) <011 > |
|
||
• |
|
|
1 MeV Не+, 140 К |
|||
|
|
|
-,• |
|
|
|
'. |
|
|
Ag S. Р. |
|
||
' |
"'' |
|
|
--- ,• |
Au Xmin |
|
|
' |
|
|
|
|
|
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
'. |
|
|
|
|
|
|
'....•..... . |
|
|
|
|
|
|
|
............. -..... _.. |
|
• |
|
|
• |
• |
|
---·--------- |
||
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
||
|
|
КОЛИЧЕСТВО МОНОСЛОЕВ |
|
1.0
0.8
0.2
о
Рис 5.18. Интенсивность поверхностного Аg-пика как функция толщины Аи-покрытия (в монослоях), производимого на (111)-поверхности Ag при температуре 140 К, для ионов гелия с энергией 1,0 МэВ, падающих вдоль направления <110>. Показано также отноше ние Аи-сигналов при падении вдоль оси < 11 О> и при случайном падении как функция толщины Аи-покрытия (правая ось координат). Как сплошная, так и штриховая линии рассчитаны в предположении псевдоморфного послойного роста. При расчете использо ваны трехмерные тепловые колебания, корреляции тепловых колебаний не учитывались
[Cиlbertson et al., 1981]
Каналирование ионов |
133 |
5.8. Эпитаксиальный рост
Рост золота на серебре является хорошим примером роста эпитаксиальной пленки высокого качества. Такая комбинация материалов удовлетворяет самому
главному критерию эпитаксии, а именно хорошему соответствию постоянных ре-
, шетки; в этом случае рассогласование составляет менее 0,2 %. На рис. 5.19 приво
дится сравнение уменьшения поверхностных пиков подложки в случае эпитаксии
Аи на Ag ( 111) и Au на Pd ( 111 ). В последнем случае имеется сильное рассогласо вание ~ 4,7 %. Отметим, что в обоих случаях происходит одновременное уменьше
ние поверхностного пика соответствующее росту псевдоморфного слоя. Однако в случае Au/Pd этот псевдоморфмный рост прекращается через два монослоя. Это заключение согласуется с теорией эпитаксии, рассматривающей упругое напря
жение в эпитаксиальной пленке, возникающее из-за рассогласования параметров и вклада случайных напряжений, вызванных дислокациями. Расчетная толщина
§3.0
~
'i:S |
~ |
2.0 |
|
|
|
Au/Ag (111) (ОП) |
|
||
:@ |
% |
|
|
|
|
|
|||
..... |
"' |
|
|
|
1.0 МэВ Не, 140 К |
|
|||
u |
::;! |
|
|
|
|
|
|||
@~ |
1.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
>< |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
fu |
|
|
|
|
|
• |
|
|
|
а:1 |
|
а о |
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
||
~ |
|
о |
2 |
|
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
|
|
|||||||
~~ |
|
4.0 |
|
|
|
• |
|
|
|
|
|
+•• |
• |
• |
• |
• |
|
t |
|
~~ 3.0 |
|
|
|
|
|||||
~1 |
2.0 |
|
|
|
Au/Pd (111) (ОО1) |
|
|||
:I: |
~ |
|
|
|
|
1.8 МэВ Не, 300 К |
|
||
~ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gs |
|
1.0 |
|
|
|
|
|
|
|
§ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь о |
2 |
|
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
|
о |
|
ТОЛЩИНА АG-ПОКРЫГИЯ, монослои
Рис. 5.19. Уменьшение поверхностного пика подложки как функция толщины Аg
покрытия: (а) подложка -Ag ( 11 О); осаждение и анализ проводились при 140 К, используя
ионы гелия с энергией 1,0 МэВ, падающие вдоль направления <110>; (Ь) подложка Pd (100); осаждение и анализ проводились при 140 К, используя ионы гелия с энергией 1,8 МэВ, падающие вдоль направления <100>. Сплошной линией отмечены результаты рас чета для псевдоморфного послойного роста с учетом тепловых колебаний
134 |
Глава 5 |
пленки, при которой начинают появляться дислокации, в случае Au/Pd составляет - 2 монослоя. В пленке с дислокациями атомы верхних слоев не сопрягаются с кристаллической решеткой, и поэтому не затеняют атомов подложки.
5.9. Анализ тонких пленок
Важным применением каналирования является подавление рассеяния от мо
нокристаллической подложки. При этом подавление рассеяния от аморфных сло ев, таких как оксидов, не происходит. Непосредственным результатом данного эф фекта является повышение чувствительности к небольшим количествам приме сей, а также возможность получения информации о структуре приповерхностной области. В данном разделе обсуждается эксперимент, выявляющий стехиометрию и наличие приповерхностных напряжений в системе SiO/Si.
Чувствительность экспериментов такого рода можно улучшить, используя ге
ометрию скользящих углов выхода, о чем свидетельствуют спектры на рис. 5.20, полученные для кремния с тонким покрытием из Si02 • Расположение детектора не влияет на взаимодействия посредством близких столкновений и на каналиро
вание падающего пучка, но изменяет соотношение между шириной энергетиче
ского спектра и толщиной слоя. В случае скользящих углов выхода (рис. 5.20а) длина обратной траектории вылетающих рассеянных частиц может в пять раз превышать длину пути в случае рассеяния на угол 180° (рис. 5.20б). Растяжение масштаба глубины приводит к распределению полного числа регистрируемых со бытий рассеяния на данной толщине по более широкому интервалу энергий и,
следовательно, уменьшает число отсчетов в каждом канале для массивного кри
сталла. В рассматриваемом здесь образце толщина слоя (- 1,3 нм окисла) мала по сравнению с разрешением по глубине, поэтому ширина сигнала определяется разрешающей способностью по энергии системы детектирования.
Спектр рассеяния на ориентированном должным образом кристалле с тонкой окисной пленкой состоит из (1) пика от кремния, вклад в который дает рассея ние на кремнии в Si02, рассеяния на неупорядоченных атомах кремния в припо верностной области, и собственно поверхностного пика от монокристаллической подложки, а также из (2) пика при меньших значениях энергии, соответствующего наличию слоя кислорода. Площади этих пиков могут быть пересчитаны в количе
ство атомов на см2 с точностью - 5 %.
Значения отношения интенсивностей пиков от кремния и кислорода для окис
ных пленок толщиной до -4,0 нм приведены на рис. 5.21. Практически для всего
диапазона эту зависимость можно аппроксимировать прямой, соответствующей
стехиометрии Si02 и дополнительному вкладу 8,6· 1015 атомов Si/cм2 • Большая
часть этого дополнительного вклада является ожидаемым вкладом поверхност
ного пика от кремниевой подложки. Из рис. 5.21 видно, что окись Si02 имеет в
основном правильную стехиометрию и что внутренняя граница раздела является
резкой. Приведенные данные позволяют сделать предположение о том, что вну-
l
|
|
Каналирование ионов |
|
135 |
2500~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ |
||||
2 |
|
(110)Si |
|
.. |
|
МОНОКРИСТАЛЛ sr Si02 |
|
||
|
ООО |
~1MeV Не+ |
|
... |
|
|
СКОЛЬЗЯЩИЙ УГОЛ |
15 |
2 |
1500 |
ВЫХОДА(-9Ю) 11.З х 10 |
|
~: |
|
1000 |
2.9 х 1015 C/cm2 5.6 х 1015 O/cm2 |
|
|
|
500 |
|
1 |
|
|
,J..·. |
.. |
|
|
а ~ |
|
--.....,,,1'~ |
-. ..,,...: |
-._ |
.,.,·. |
..... |
|||
5 |
о 200 |
250 |
|
|
|
300 |
350 |
|
|
f- |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
o. 5000 |
|
|
|
|
|
|
|
||
§ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
.. |
~ 4000 ". .~с |
5.7 х 1015 0/cm2 |
|
|
||||||
|
|
·"·'·......- |
|
|
. |
|
|
10.8 х 1015 Si/cm2 •• |
|
|
3000 |
"""....,._. |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
+ |
|
|
|
|
||
|
|
|
·~.....'И... •""• |
|
|
|
|
||
|
2000 |
(110) Si |
-~.,..,,.""°"'_ |
|
: |
||||
|
|
~ОНОКРИСТАЛЛ /Si02 |
• |
~_....,.,.____ |
|||||
|
|
~г-1~ |
1МэВ Не+ |
~~~~11\iy |
|||||
|
1000 |
|
~0 |
|
• |
• |
|||
|
|
|
180°дЕТЕКТОР |
|
|
||||
ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
150 |
|
|
|
200 |
250 |
|
НОМЕР КАНАЛА
Рис. 5.20. Энергетические спектры рассеяния в геометрии каналирования для монокри
сталла Si (110), покрытого пленкой Si02 толщиной - 0,15 нм. Верхний рисунок соответ
ствует размещению детектора при скользящих углах выхода, нижний рисунок - при углах
выхода ~180°
тренняя поверхность может состоять либо из двух монослоев кремния, несопря женных с монокристаллом, либо из тонкого(< 0,5 нм) слоя окиси с неправильной
стехиометрией.
Задачи
5.1.Вычислить и сравнить значения стандартного потенциала, потенциала
Томаса - Ферми и потенциала 1/r2 при r/a = 0,01; О,1 и 1,0 в случае падения ионов
гелия на кремний.
5.2.Медь обладает кубической гранецентрированной решеткой с периодом
136 |
Глава 5 |
24Ео= 0.8 МэВ
(110) Si
;;Е 20
~
§
в16
~
s 12
18
щ
~
4
КИСЛОРОД 10" АТОМОВ/СМ'
Рис. 5.21. Соотношение между плотностями атомов Si и О на единицу площади в пленках
оксида кремния толщиной до - 0,4 нм. Точками отмечены данные, полученные из спек
тров, аналогичных изображенным на рис. 5.20. Заштрихованная область соответствует ин тенсивности поверхностного пика для чистого монокристалла Si (11 О) с объемоподобной
поверхностной структурой.
0,3615 нм. Вычислить критические углы осевого и плоскостного каналирования, а также минимальный выход рассеяния ионов гелия с энергией 2 МэВ, падающих
внаправлении <100>, если амплитуда тепловых колебаний равна 0,012 нм.
5.3.Вычислить радиус теневого конуса R и амплитуду поверхностного пика
вдвухатомной и универсальной моделях (положить Rc = Rм) для случая канали рования ионов гелия с энергией 1,0 МэВ, падающих вдоль направления <100> в алюминии (постоянная решетки равна 0,405 нм, р = 0,014 нм). Какая энергия со ответствует единичной интенсивности поверхностного пика (р/Rм = 0,4)?
5.4.Используя приближение rjr02 для нахождения функции распределения
потока (5.20), рассчитайте минимальное значение выхода рассеяния на атоме
примеси, расположенном на расстоянии 0,01, 0,03 и 0,05 нм от цепочки атомов.
Амплитуду тепловых колебаний положить равной 0,01 нм, значение r0 взять соот ветствующим каналированию вдоль наравления <О1О> в кремнии.
5.5. Каналирование может происходить не только вдоль цепочек атомов, но
и между атомными слоями, образующими атомные плоскости. В этом случае в качестве потенциала, задающего поперечное движение, может быть использован параболический потенциал
о $ /у/ $ dp/2 1
Каналирование ионов |
137 |
где dP - расстояние между плоскостями, у - |
расстояние, отсчитываемое от |
середины канала. Пользуясь принципом движения в гармоническом потенциале,
. вывести формулу для длины волны осцилляций. Вычислить значение этой длины волны для плоскостного каналирования ионов с энергией 1,0 МэВ, падающих в плоскости (100) в вольфраме. Коэффициент упругости k можно оценить, заме
, тив, что V(/2) = UP(O) (см. (5.13)).
Литература
1.J. U. Anderson, О. Andreason, J. А. Davies, and Е. Uggerhoj, Rad. Eff. 7, 25 (1971).
2.В. R. Appelton and G. Foti, "Channeling," in !оп Веат Haпdbook for Material Aпalysis, J. W. Mayer and Е. Rimini, Eds. (Academic Press, New York, 1977).
3.W. К. Chu, J.W. Mayer, and М.-А. Nicolet, Backscatteriпg Spectroтetry (Academic Press, New York, 1978).
4.G. Dearnaley, J. Н. Freeman, R. S. Nelson, and J. Stephen, !оп lтplantation (NorthHolland, Amsterdam, 1973).
5.L. С. Feldman, J. W. Mayer, and S. Т. Picraux, Materials Analysis Ьу !оп Chaппeliпg (Academic Press, New York, 1982).
6.D. S. Gemmell, "Channeling and Related Effects in the Motion of Charged Particles Through Crystals," Rev. Mod. Phys. 46(1), 129-227 (1974).
7.J. Lindhard, Mat. Fys. Medd. Dап. Vid. Selsk. 34(14), 1 (1965).
8.D. V. Morgan, Ed" Chaппeling (John Wiley and Sons, New York, 1973).
9.R. S. Nelson, The Observatioп ofAtomic Collisions iп Crystalline Solids (NorthHolland, Amsterdam, 1968).
10.Р. D. Townsend, J. С. Kelly, and N. Е. W. Hartley, !оп lтplaпtation, Sputtering and
Their Applications (Academic Press, New York, 1976).
11. R. J. Culbertson, L. С. Feldman, andP. J. Silverman,Phys. Rev. Lett. 47, 657 (1981).
ГЛАВА6
Электрон-электронные взаимодействия и чувствительность анализа с помощью электронной спектроскопии к глубине
6.1. Введение
Регистрация наличия того или другого элемента в приповерхностной области
твердого тела как правило заключается в измерении энергии электрона, имеющей
величину, характерную для определенного атома. Разрешение по глубине данной методики определяется, таким образом, толщиной материала, через которую ис
пущенный электрон сможет пройти, не испытывая неупругих столкновений на своем пути и, следовательно, не изменяя энергии. Рассмотрим такие процессы
неупругого взаимодействия, чтобы получить количественные представления о толщине исследуемого слоя. Понимание этих явлений особенно полезно при пла
нировании исследований поверхности, когда экспериментатор зачастую может
выбрать энергию электронов и таким образом задать глубину зондирования. В этой главе с использованием понятия о рассеянии частиц, развитыми в главах 2 и 3, выводятся классические соотношения для электрон-электронных столкнове ний. Эти соотношения позволяют получить полезные оценки для глубины выхода электронов и для поперечных сечений ударной ионизации.
6.2. Анализ энергии с помощью методов электронной спектроскопии
В методах анализа поверхности фотоэлектронной и Оже-электронной спек троскопии, обсуждаемых в следующих главах, используются фотоны и электроны
для возбуждения электронов, которые вылетают из твердого тела со строго опре
деленными энергиями. Электронные, испускаемые с энергиями порядка 100 эВ имеют глубины выхода порядка 1,0 нм. При подходящем выборе параметров па дающего пучка и системы детектирования эти методы электронной спектроско-
Электрон-электронные взаимодействия и чувствительность... |
139 |
пии приобретают чрезвычайно высокую чувствительность к состоянию поверх
. ности. По ряду причин методы электронной спектроскопии нашли самое широкое
применение в анализе поверхностей. Электроны легко фокусируются в пучки, их
1 наличие и интенсивность могут быть эффективно определены, а их распределе
. ние по углам и энергиям может быть исследовано с помощью электростатических
линз и отклоняющих систем.
Методы электронной спектроскопии основаны на анализе распределения по
энергиям электронов, испущенных поверхностью. Различные особенности эмис сионных спектров, а также требования, налагаемые методикой исследования, при вели к разработке множества анализаторов для измерения распределений энергии (см. также главу 10). В цилиндрическом зеркальном анализаторе (ЦЗА-СМА) (рис. 6.1) испущенные электроны электростатически фокусируются таким образом, что
только электроны с энергиями из определенного малого интервала проходят через
анализатор и попадают в коллектор. Фокусировка достигается приложением раз ности потенциалов ~ между двумя коаксиальными электродами, которая создает
электрическое поле с цилиндрическими эквипотенциальными поверхностями.
Внешний цилиндрический электрод имеет отрицательный потенциал по отноше нию к внутреннему электроду. Электроны, входящие в анализатор через кольце вое отверстие, отклоняются по направлению к внутреннему цилиндру. Конструк
ция анализатора позволяет электронам с энергией около Е = е~ в диапазоне ши
риной ЛЕ выйти через выходную щель, чтобы попасть в коллектор; разрешение по энергии ЛЕ/Е, как правило, находится в пределах от 0,1 до 1 %. Пропускная способность такого анализатора достаточна велика, так как он обладает большим углом захвата электронов. Узкий характеристичный пик может быть отделен от фонового сигнала с помощью однократного или двукратного дифференцирова
ния, которое выполняется с помощью наложения на разность потенциалов между
цилиндрическими электродами модулирующего переменного напряжения.
Рис. 6.1. Схематичное изображе
ние цилиндрического зеркального
анализатора, используемого для
определения энергии электронов
в различных методах электронной
микроскопии
ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ СМЕЩI ПО ОТНОШЕНIПО
К ВНУТРЕННЕМУ ЦИЛИ1J