28. Zjawiska towarzyszące

bombardowaniu ciała stałego

elektronami i jonami

Michał Morek

Wstęp

Elektron - trwała cząstka elementarna będąca
jednym z elementów atomu. Elektron ma ładunek
elektryczny równy e=1,6021917(70)×10

-19

C i masę

spoczynkową m

e

≈9,10938×10

-31

kg.

Elektrony w atomach poruszają się wokół dodatniego
jądra w obszarach zwanych powłokami
elektronowymi bądź orbitalami. Zachowanie
elektronu w atomie zdeterminowane jest przez
elektromagnetyczne oddziaływanie z dodatnim
jądrem oraz pozostałymi elektronami.

Wstęp

Jon - to atom lub grupa atomów połączonych
wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub
nadmiar elektronów w stosunku do protonów.
Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki
związków chemicznych posiadają równą liczbę
elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie
naładowane dodatnio lub ujemnie.
Jony naładowane dodatnio nazywa się kationami, zaś
ujemnie anionami. Jony mogą występować
samodzielnie, w stanie wolnym (zwykle w fazie
gazowej) lub tworzą tzw. pary jonowe, które mogą
być luźno ze sobą związane lub odwrotnie - mogą
tworzyć silne wiązania (w. jonowe).

Zjawiska na granicy „ciało stałe
– gaz”

Zjawiska fizyko-chemiczne występujące na
powierzchni ciała stałego i w obszarze
przypowierzchniowym możemy podzielić na zjawiska
towarzyszące bombardowaniu ciała stałego:

– elektronami,
– jonami,
– fotonami.

Zjawiska towarzyszące
bombardowaniu ciała stałego
elektronami

e

elektrony
odbite
(rozproszone)

elektrony
wybite

elektrono-
luminescencja

atomy
parowane

Mikroskopia
Skaningowa SEM,
AES – Auger Electron
Spectroscopy

dyfrakcja
elektronów,
TEM=HEED,
LEED

rozpraszanie energii – termalizacja, nagrzewanie, parowanie wiązką
elektronów EBE,

hartowanie, spawanie, topienie, annealing,

defektowanie,
reakcje chemiczne – elektronolitografia.

e

e

h



Zjawiska towarzyszące
bombardowaniu ciała stałego
elektronami

Zjawiska towarzyszące bombardowaniu c. s.

elektronami:

• odbijanie elektronów,
• wybijanie elektronów,
• generacja fotonów,
• parowanie atomów,
• wnikanie elektronów w głąb ciała stałego:

– rozpraszanie energii,
– defektowanie,
– reakcje chemiczne.

SEM – Scanning Electron
Microscopy

Skaningowa mikroskopia elektronowa - jest
metodą w której badającym przyrządem jest
rodzaj mikroskopu elektronowego, w którym obraz
uzyskiwany jest w wyniku
"bombardowania" próbki wiązką elektronów, która
skupiona jest na przedmiocie w postaci małej
plamki. Wiązka omiata obserwowany obszar linia
po linii. Układ rejestruje elektrony odbite lub
elektrony wtórne emitowane przez próbkę w
wyniku pobudzenia próbki przez wiązkę
elektronów.

AES - Auger Electron
Spectroscopy

Spektroskopia elektronów Auger’a – jest to
technika używana do analizy powierzchni (jej składu i
właściwości chemicznych) do głębokości 0,5-1 nm
obszaru przypowierzchniowego. Istotą metody jest
pomiar rozkładu energetycznego elektronów wtórnych
(czyli ich widma) emitowanych z powierzchni po
wzbudzeniu wiązką elektronów pierwotnych.

Zastosowane w nanotechnologii półprzewodników:
-kontrola czystości podłoża p-p,
-kontrola stechiometrii powierzchni w procesie jej

oczyszczania,
-wyznaczanie profilu koncentracji na granicach faz.

LEED – Low-Energy Electron
Diffraction

Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych -
jest metodą, która pozwala określić przestrzenny
rozkład wiązek ugiętych i ich zmiany w funkcji
energii elektronów pierwotnych.

Zastosowanie LEED w nanotechnologii p-p:
-ocena czystości podłoży do MBE,
-badanie struktury atomowej komórki
elementarnej na powierzchni kryształu,
-określenie symetrii lokalnej na powierzchni
kryształu.

Inne metody dyfrakcyjne

RHEED (Reflection High-Energy Electron

Diffraction) – dyfrakcja odbiciowa elektronów
wysokoenergetycznych

HEED (High-Energy Electron Diffraction) – dyfrakcja

elektronów wysokoenergetycznych

TEM (Transmission Electron Microscopy) –

elektronowa mikroskopia transmisyjna

Electron Beam Evaporation
EBE

Parowanie wiązką elektronową - jest jedną z
grupy metod PVD (Physical Vapor Deposition). W
metodzie tej wiązka elektronowa powoduje
nagrzewanie materiału powodując jego
odparowanie. Jest używana np. do nanoszenia
warstw izolacyjnych i rezystywnych w technice
cienkowarstwowej.

Zjawiska towarzyszące
bombardowaniu ciała stałego
jonami

+

jonoluminescencja

elektrony
wtórne

odbite

nanoszenie
warstw
trawienie jonowe

SIMS

rozpraszanie energii (nagrzewanie),
reakcje chemiczne (jonolitografia),
defektowanie (ion mixing, ion
modyfication),
implantacja jonowa.

h



jon
implantowany

jon

+

N

e

N

atomy
rozpylane

+

-

jony
rozpylane

ISS

SIMS – Secondary Ion Mass
Spectroscopy
ISS - Ion Scattering
Spectroscopy
(Spektroskopia rozpraszania
jonów) – skład, czystość,
koncentracja.

Zjawiska towarzyszące
bombardowaniu ciała stałego
jonami

Zjawiska towarzyszące bombardowaniu ciała stałego

jonami:

• wybijanie elektronów wtórnych,

• generacja fotonów,

• odbijanie jonów,

• odbijanie cząstek neutralnych,

• wybijanie jonów,

• wybijanie atomów,

• rozpylanie w celu:

– nanoszenia warstw,

– trawienie jonowego,

• modyfikacja jonowa:

– rozpraszanie energii,

– reakcje chemiczne,

– defektowanie,

– implantacja jonowa

Nanoszenie warstw

Jony pochodzące z plazmy wyładowania
otaczającego pokrywane podłoże albo też jony
wytworzone w oddzielnym źródle i
uformowane w wiązkę mogą odgrywać w
procesach technologicznych dwojaką rolę:

- mogą być „narzędziem” rozpylającym target,

a więc umożliwiającym transport masy

ku pokrywanemu podłożu,

- mogą oddziaływać na podłoże i na nanoszoną

na nim warstwę modyfikując właściwości fizyczne

i wpływając na przebieg reakcji

chemicznych

Rozpylanie jonowe

Wyróżniamy:
1. Rozpylanie fizyczne – kinetyczne wybijane

atomów, cząsteczek w postaci neutralnej lub
zjonizowanej przez jony.

2. Rozpylanie chemiczne – chemiczne oddziaływanie

aktywnych cząstek (rodników) z atomami targetu
dające związki lotne.

3. Rozpylanie reaktywne – reakcje chemiczne

reaktywnego gazu z materiałem targetu powodują
obniżenie energii wiązania produktów reakcji i
ułatwiają ich kinetyczne rozpylanie

Rozpylanie jonowe

Układy rozpylania jonowego (plazmowego):
- stałoprądowy układ dwuelektrodowy,
- stałoprądowy układ trójelektrodowy,
- układ w.cz.,
- magnetronowy,
- asymetryczne rozpylanie zmiennoprądowe,
- rozpylanie z gatterowaniem,
- rozpylanie wiązką jonów.

Ion Beam Sputtering IBS

Rozpylanie wiązką jonów – w tej metodzie
rozpylania generując jony w zewnętrznym źródle i
formując z nich wiązkę w przybliżeniu
monoenergetyczną i równoległą uzyskujemy
bardziej precyzyjne narzędzie rozpylania.
Umieszczając podłoże w obszarze wysokiej próżni
uzyskujemy możliwość wpływu na mechanizm
wzrostu warstw, ich
strukturę
i czystość

Platerowanie jonowe

Jest to metoda nanoszenia warstw, w której przed i
w czasie nanoszenia warstwy podłoże podlega
bombardowaniu jonowemu na tyle intensywnemu
by występowało rozpylanie jonowe. Najczęstsze
skojarzenie: „napylanie/naparowywanie +
rozpylanie”.

Proces platerowania jonowego obejmuje dwa etapy:
1. Oczyszczanie podłoża rozpylaniem jonami gazu
szlachetnego
2. Bez przerywania bombardowania jonami –
odsłonięcie przysłony i parowanie na podłoże

Modyfikacja jonowa

Pojęcie modyfikacji jonowej obejmuje 2 pojęcia:
implantację jonową i defektowanie struktury.

Implantacja jonowa to proces wprowadzania
domieszek do cienkiej przypowierzchniowej
warstwy materiału poprzez jego bombardowanie
jonami o energii rzędu keV lub MeV. Wyróżniamy
implantacje: bezpośrednią, pośrednią i imersyjną.

Defektowanie – Ion Mixing, Ion Modyfication

Ion mixing, Ion modyfication

IBAD – Ion Beam Assisted Deposition – osadzanie wspomagane

wiązką jonów.

Trawienie jonowe

Trawienie to proces, w którym występuje usuwanie
materiału z powierzchni ciała stałego pod wpływem
określonego czynnika trawiącego w drodze np.
rozpylania czy też reakcji chemicznych.

Do zakresu technik jonowych należy suche trawienie
(dry etching) wykorzystujące zjawiska zachodzące w
plaźmie bądź oddziaływanie wiązki jonów i/lub
cząsteczek neutralnych z ciałem stałym. Umożliwia
trawienie materiałów o małej reaktywności
chemicznej, przewodników i dielektryków np.
trawienie rozpylaniem jonowym (SE – Sputter
Etching).

Trawienie jonowe

Wspólną zaletą wszystkich jednowiązkowych
metod trawienia jest anizotropowość trawienia
oraz szerokie możliwości regulacji parametrów
procesu, a więc i jego rezultatów. Wspólną wadą
jest natomiast ograniczona przelotowość procesu
wynikająca z faktu, że trawieniu podlega w nim
tylko jedno podłoże w jednym procesie.

Schemat układu
trawienia wiązką
jonów w wersji
podstawowej:

Cleaning – oczyszczanie
powierzchni

Obejmuje ono usuwanie z powierzchni ciała
stałego adsorbowanych na niej gazów i
zanieczyszczeń słabo związanych z podłożem.
Oczyszczanie wymaga mniejszych energii
bombardujących cząstek i jako rutynowy proces
technologiczny przygotowania podłoży przed
osadzaniem na nich warstw cienkich realizowane
jest w wyładowaniu jarzeniowym.

SIMS – Secondary Ion Mass
Spectroscopy

Spektroskopia mas jonów wtórnych - jest to metoda
badania półprzewodników w której wiązka jonów nie
penetruje obszaru przypowierzchniowego, ale może
ulegać rozproszeniom sprężystym lub może wybijać
atomy z warstwy przypowierzchniowej i jonizować część
z nich. Rozpylone jony trafiają do spektrometru
masowego, a dobrze zogniskowana wiązka jonów
pierwotnych pozwala na otrzymywanie map składu
pierwiastkowego z rozdzielczością przestrzenną około 1
μm

Zastosowanie:
-kontrola czystości i stechiometrii podłoży,
-wyznaczanie profili koncentracji domieszek,
-detekcja śladowych ilości pierwiastka.

Zjawiska towarzyszące
bombardowaniu ciała stałego
elektronami i jonami

W przypadku bombardowania ciała stałego

elektronami prawdopodobieństwo dominacji

któregoś z wymienionych procesów zależy od

bombardowanego materiału, kąta padania wiązki

elektronowej na powierzchnię oraz od energii

elektronów.

Natomiast w przypadku bombardowania ciała

stałego jonami prawdopodobieństwo dominacji

któregoś z wymienionych procesów zależy od

mas atomowych padającego jonu i bombardowanego

materiału, ich liczb atomowych, kąta padania wiązki

jonowej na powierzchnię oraz od energii jonów.

Literatura

1. Skrypt do wykładu „Techniki Plazmowe” – J.

Zdanowski (na prawach rękopisu)

2. Notatki z wykładu „Metody diagnostyki

powierzchni” – M. Dąbrowska-Szata

Dziękuję za uwagę!

Dziękuję za uwagę!