ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ МЕДЛЕННЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ НА СОСТОЯНИЕ НАНОПЛЕНОК KCl И LiF НА ПОВЕРХНОСТИ Si(111)

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ МЕДЛЕННЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ НА СОСТОЯНИЕ НАНОПЛЕНОК KCl И LiF НА ПОВЕРХНОСТИ Si(111)

Научная статья

Хожиев Ш.Т.¹, Тачилин С.А.², Ганиев А.А.^3, *,Умарходжаева З.Н.⁴

³ ORCID: 0000-0003-1879-1931;

^{1, 2, 3, 4} Ташкентский государственный технический университет, Ташкент, Узбекистан

* Корреспондирующий автор (abduvohidganiyev330[at]mail.ru)

Аннотация

В данной статье приводятся данные по изучению и определению условия образования точечных дефектов и их кластеров на поверхности тонких нанопленок KCl и LiF сформированных на поверхности Si(111) при облучении медленными электронами. Методом спектроскопии полного тока установлены энергетические зависимости образования поверхностных точечных дефектов, а также влияние температуры при облучении и последующем отжиге на образование точечных дефектов и их ассоциаций.

Ключевые слова: точечные дефекты, электронное облучение, коллоиды, спектроскопия полного тока, поверхностный потенциал, наноплёнка.

INFLUENCE OF IRRADIATION BY SLOW ELECTRONS ON THE STATE OF KCl AND LiF NANO FILMS ON THE SURFACE OF Si (111)

Research article

Khojiyev Sh.T.¹,Tachilin S.A.²,Ganiyev A.A.^3, *,Umarkhodjaeva Z.N.⁴

³ ORCID: 0000-0003-1879-1931;

^{1, 2, 3, 4} Tashkent State Technical University, Tashkent, Uzbekistan

* Corresponding author (abduvohidganiyev330[at]mail.ru)

Abstract

This article presents data on the study and determination of the conditions for the formation of point defects and their clusters on the surface of thin KCl and LiF nanofilms formed on the Si (111) surface upon irradiation with slow electrons. Using the method of full current spectroscopy, we determined the energy dependences of the formation of surface point defects, as well as the effect of temperature upon irradiation and subsequent annealing on the formation of point defects and their associations.

Keywords: point defects, electron irradiation, colloids, total current spectroscopy, surface potential, nanofilm.

Введение

По мере уменьшения размеров электронных приборов и перехода к тонкопленочной и наноэлектронной технологии первостепенное значение приобретают свойства поверхностей и границ раздела материала, как правило, отличающихся от объемных свойств вещества. Возможность управления типом, концентрацией и распределением дефектов создает благоприятные перспективы целенаправленного изменения свойств твердых тел в нужном направлении [1]. Изучение поверхностных точечных дефектов (ТД) и их кластеров при электронном облучении тонких пленок щелочно-галлоидных кристаллов (ЩГК) на монокристалле Si(111) важно [4], [5] как с точки зрения выяснения механизмов дефектообразования, так и для улучшения совершенства эпитаксиально выращенных полупроводниковых пленок для трехмерных интегральных схем, а также для микропроцессорной технологии в целом. Установление связи между образованием ТД и их ассоциаций на облучаемой поверхности ЩГК и процессами электронно-стимулированной десорбции (ЭСД), а также кластерного распыления способствует лучшему пониманию механизмов этих явлений [6]. Исследования коллоидов с применением традиционных рентгенографических и электронно- микроскопических методов не увенчались успехом, поскольку их размеры находятся на пределе чувствительности данных методов. Из температурной зависимости дефектообразования можно получить важную информацию позволяющую выяснить механизмы образования, взаимодействия и отжига точечных дефектов.

Вопросу образования ТД и их агломерататов на поверхности и в объеме ЩГК посвящено много работ. Как показывает анализ экспериментальных и теоретических работ до настоящего времени исследовались в основном массивные кристаллические образцы при облучении их электронами больших энергий. Дефектообразование в ионных кристаллах при облучении электронами малой энергии, особенно в области порога создания экситонов и электронно-дырочных пар, почти не изучалось.

Эффективность дефектообразования при малых энергиях электронов низка. Кроме того, в при таких условиях дефекты возникают в очень тонком приповерхностном слое мишени. Это требует выбора достаточно поверхностно чувствительного метода регистрации ТД.

Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование образования точечных дефектов и их кластеров в пленках KCl и LiF сформированных на поверхности Si(111) при их облучении медленными электронами. Методом спектроскопии полного тока СПТ были определены: энергетические зависимости образования поверхностных точечных дефектов, влияние температуры отжига (Т_отж) и температуры облучения (Т_обл) на образование ассоциаций  ТД.

Методы и принципы исследования

Для исследования образования ТД и их агломератов вплоть до образования коллоидов малых размеров на поверхности и в приповерхностной области тонких пленок KCl и LiF сформированных на поверхности Si(111) был применён метод низкоэнергетической пороговой спектроскопии полного тока (СПТ). Методика [4] применима для контроля различных дефектов на поверхности тонких пленок ЩГК и определения их типа по энергетическому положению и интенсивности спектральных максимумов. Метод электронной спектроскопии полного тока является низкоэнергетичной разновидностью пороговой вторично-электронной спектроскопии. Этот метод отличается высокой поверхностной чувствительностью, информативностью и простотой экспериментальной реализации. Конструкция, режимы работы, экспериментальная реализация метода СПТ подробно приведены в работах [6], [2]. Осаждение пленок  KCl и LiF на поверхность Si(111) осуществлялось термическим испарением из соответствующих тиглей. Испаритель KCl представлял собой трубку с закрытым дном, на которую была намотана нихромовая спираль, обеспечивающая получение температуры 500-600⁰С. Испаритель для напыления пленок KCl был сделан из керамики, а для получения пленок LiF- из кварца.

Для облучения образцов электронами более высокой энергии с целью генерации точечных дефектов использовалась электронная пушка, которая позволяла получать электроны с энергией до 5 кэВ и плотностью тока до 1 мкА/см².

Конструкция системы нагрева образца представляла собой танталовый цилиндр, внутрь которого была вмонтирована вольфрамовая спираль. Исследуемый образец крепится к торцу цилиндра с помощью специальных лапок-держателей. К боковой части образца была подведена хромель- алюмелевая термопара, обеспечивающая контроль температуры образца в диапазоне от комнатной до 1400⁰С. Скорость формирования пленок KCl и LiF определялась в отдельном градуировочном эксперименте.

Кремниевая подложка нагревалась до температуры, обеспечивающей 100% поверхностную ионизацию падающих на нее молекул KCl и LiF. По величине тока положительных ионов [2] в цепи «коллектор-образец» определялась интенсивность молекулярного потока, отражённого от поверхности подложки при заданной температуре испарителя. По известной интенсивности молекулярного потока и времени напыления проводилась оценка толщины напыляемой пленки в основном эксперименте. Скорость напыления не превышала 4 Å/мин.

Основные результаты и их обсуждение

Определено изменение поверхностного потенциала заряда образцов по смещению положения первичного пика СПТ относительно некоторого исходного состояния [2], [4]. Этим же методом были измерены значения потенциала поверхности φ_s пленок KCl и LiF в процессе облучения медленными электронами (Рис. 1). Изменения величины поверхностного потенциала пленок при облучении электронами объясняются изменением эффективного значения коэффициента вторичной электронной эмиссии σ_эфф.

Рис. 1 – Изменение потенциала поверхности φs пленки LiF в зависмости от дозы облучения электронами с энергией 32 Эв

 

Анализируя зависимость концентрации F-центров, определенной по высотам соответствующих пиков СПТ, от дозы электронного облучения при различных энергиях обнаружено, что с ростом дозы концентрация F-центров возрастает, проходит через пологий максимум, медленно уменьшается и стабилизируется.

Возрастание концентрации ТД с уменьшением дозы на начальной стадии облучения связано с созданием и накоплением F-центров. Некоторое уменьшение их числа при больших дозах облучения происходит в результате их превращения в М- и R-центры. Зависимость концентрации F-центров от энергии облучающих электронов для заданной дозы представляет собой прямую линию в исследованной области энергии. Это свидетельствует о том, что энергия первичных электронов в основном затрачивается на неупругие взаимодействия с созданием ТД. Аналогичные результаты были получены для пленок LiF/Si(111). В случае LiF даже при незначительных дозах облучения сразу образуются более крупные агломераты ТД. Устойчивые одиночные центры образуются с меньшей эффективностью. Поэтому основным первичным продуктом для образования коллоидов служат димерные R-центры.

Как показывает дозовая зависимость концентрации R-центров, с ростом дозы облучения их концентрация возрастает, затем уменьшается. Это свидетельствует о том, что сначала происходит создание и накопление R-центров, затем их превращение в более крупные агломераты. Тоже показывает логарифмическая зависимость концентрации F и R-центров от дозы электронного облучения.

Также были определены температурные зависимости образования, превращения и сохранения электронных и коллоидных центров, возникающих при облучении медленными электронами, а также экспоненциальное снижение до нуля концентрации F-центров при нагреве до 200⁰С плёнок KCl и до 400⁰С  плёнок LiF (см. рисунок 2). Установлен перегиб концентрации коллоидов в максимумах при 100⁰С. Видно, что с ростом температуры подложки в диапазоне от комнатной до 200⁰С для KCl и 400⁰С для LiF, концентрация F-центров экспоненциально падает до нуля, а концентрация коллоидов имеет максимум при температуре 100⁰С.

 

Рис. 2 – Изменение спектра полного тока свеженапыленной и отожженной нанопленки LiF сформированной на поверхности Si(111):

1  ̶  Свеженапыленная  пленка LiF/Si(111) отожженная при 200^°С в течении 15 мин; 2  ̶  Плёнка после облучения  электронами с энергий 200 эВ и дозой 5*10¹⁶ е/cм²; 3  ̶  Плёнка после дальнейшего облучения до дозы 2,8*10¹⁶ е/см²;

4  ̶  Облучённая плёнка после отжига  при 300^°С в течение  10 мин; 5  ̶  Плёнка после отжига при 400 ^°с в течение

10 мин.  

Выявлена зависимость дефектообразования от дозы облучения, а также при последующем ступенчатом отжиге пленки KCl при различных температурах. С ростом дозы первичный максимум смешается в сторону меньших энергий и раздваивается на пики A и B. При этом изменяется положение и высота пика B. С ростом дозы этот пик несколько сглаживается, а при нагреве до температуры 300-400⁰С наблюдается четкое его отделение от пика А. Пик B исчезает при температуре 500-550⁰С. Если сравнить положение пика B с положением ассоциаций F-центров, то его можно охарактеризовать как Х-центр (скопление большого количества F-центров) или как коллоидный центр (маленькая частица щелочного металла). Кроме Х-центров и коллоидов все электронные центры отжигаются при температурах 130-160⁰С.

Аналогичный вид имеет зависимость концентрации коллоидов от температуры при облучении в модели роста коллоидных центров. Известно [6], что изменение ширины пика на его полувысоте связано с изменением размеров коллоидов при воздействии на них тем или иным способом. Установлено, что ширина пика коллоидов увеличивается с ростом дозы облучения при температурах от комнатной до 200⁰С. При ступенчатом отжиге пленок KCl наблюдается уменьшение размеров коллоидов. Это связано с тем, что рост температуры ускоряет испарение атомов щелочного металла из коллоидов и их десорбцию. Лимитированность количества F-центров также влияет на дальнейший рост размеров коллоидных частиц. При температуре 200⁰С F-центры практически исчезают. Аналогичные результаты были получены для пленок LiF.

Температура влияет на вид образующихся кластерных дефектов. С ростом температуры концентрация одиночных центров уменьшается, а концентрация агломератов растет [3]. При температурах отжига 300-500⁰С размеры коллоидов сначала возрастают затем монотонно уменьшаются. При этом количество R-центров влияет на рост размеров коллоидов.

Также параллельно было исследовано распыление кристаллов LiF ионами цезия. При распылении пленок LiF было установлено, что ионы Li начинают появляться в спектре после того, как температура подложки достигает 200⁰С. С ростом температуры образуются все более крупные агломераты. С повышением температуры увеличивается количество вакансий и дефектов, и все больше количество ионов Li и F занимают положение дефектов внедрения или замещения вблизи других ионов, что способствует процессу образования кластеров.

На основе экспериментальных результатов предложена модель образования поверхностных нанокластеров при облучении пленок KCl и LiF сформированных на поверхности Si(111) низкоэнергетичными электронами.

Заключение

Методом спектроскопии полного тока исследовано образование ТД и их кластеров вплоть до образования металлических коллоидов на поверхности тонких пленок KCl и LiF сформированных на поверхности Si(111) при облучении медленными электронами.

Определены энергетические зависимости образования коллоидных центров на поверхности тонких пленок используемых в нанотехнологии при облучении медленными электронами.

На основе температурных зависимостей установлено, что с ростом температуры подложки в диапазоне от комнатной до 200⁰С для плёнок KCl концентрация стабильных F-центров уменьшается, а концентрация коллоидов имеет максимум при температуре порядка 100⁰С, для LiF соответственно при температуре около 350-450⁰С.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declarated

Список литературы / References

1. Парфианович И.А. Электронные центры окраски в ионных кристаллах / Парфианович И.А., Пензина Э.Э.. Иркутск: Восточно-Сибирское книж. Изд-во. – 1977 – С. 48.
2. Комолов С.А. Интегральная вторично-электронная спектроскопия поверхности / Комолов С.А. Ленинград. – 1986. – С. 58-66.
3. Щварц К.К. Диэлектрические материалы: Радиационные процессы и радиационная стойкость / Щварц К.К., Экманис Ю.А. Рига. Зинатне. – 1989 – С. 59.
4. Атабаев Б.Г. Дефектообразование и зарядка в тонких слоях KCl/Si(111) при облучении медленными электронами. / Атабаев Б.Г., Гаипов С.Г., Болтаев Н.Н., Хожиев Ш.Т. // Поверхность. – 2000 – №5 – С. 18-22.
5. Хожиев Ш.Т. // Диссертация на соисканиe учен.степ. канд.физ-мат.наук / Хожиев Ш.Т. Ташкент. Изд. «ФАН». – 2001 – С. 125.
6. Komolov S.A. Surface Sciences / Komolov S.A.,Chadderton L.T. – 1979. – V.31. – P.146.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Parfianovich I.A. Elektronnye centry okraski v ionnyh kristallah [Electronic color centers in ionic crystals] / Parfianovich I.A., Penzina E.E. Irkutsk: Vostochno-Sibirskoe knizh. Izd-vo. – 1977 – 48.[in Russian]
2. Komolov S.A. Integral'naja vtorichno-elektronnaja spektroskopija poverhnosti [Integral secondary electron spectroscopy of the surface] / Komolov S.A. – 1986. – P. 58-66. [in Russian]
3. Shvartz K. K. Dielektricheskie materialy: Radiazionnye prozessy i radiazionnaja stojkost' [ Integral secondary electron spectroscopy of the surface] / Shvartz K. K., Ekmanis Yu.А.. Riga. Zinatne. – 1989 – 59. [in Russian]
4. Atabaev B.G. Defektoobrazovanie i zarjadka v tonkih slojah KCl/Si(111) pri obluchenii medlennymi elektronami. [Defect formation and charging in thin layers of KCl/Si (111) under irradiation with slow electrons] / Atabaev B.G., Gaipov S.G., Boltaev N.N., Khojiev Sh.T Poverhnost'. – 2000 – №5 – 18-22. [in Russian]
5. Khojiev Sh.T. Dissertaziya na soiskaniye uchen. step. kand. fiz-mat. nauk[Dissertation for the academic degree PhD] / Khojiev Sh.T. Izd. «FAN». – 2001 –  P. 125. [in Russian]
6. Komolov S.A. Surface Sciences / Komolov S.A., Chadderton L.T. – 1979. – V. 31. – P. 146.