Десорбция поверхностных примесных атомов в Si, ТiO2 и SiO2 при воздействии лазерных импульсов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Икромов А. Ш., Мамажонова З. А., Мадаминов Х. М. Десорбция поверхностных примесных атомов в Si, ТiO2 и SiO2 при воздействии лазерных импульсов // Молодой ученый. — 2017. — №11. — С. 28-30. — URL https://moluch.ru/archive/145/40518/ (дата обращения: 25.06.2018).



В статье рассматривается краткий обзор литератур, посвященные к физическим основам десорбции поверхностных атомов кремния, оксида ТiO2 и SiO2. Определено, что лазерный импульс вызывает десорбцию поверхностных атомов в вакуум и перераспределение примесей в поверхностном слое, что приводит к увеличению отношений концентраций Si/С и Si/О. После нескольких импульсов устанавливается равновесие в поверхностной стехиометрии, и дополнительное облучение вызывает только незначительные изменения.

Ключевые слова: десорбция, анион, поверхность, углерод, кислород, электронная оже-спектроскопия

Механизмы влияния электромагнитного излучения на процессы дефектообразования и атомного перемещения можно свести в основном к четырем процессам:

1) дрейфу ионов в электрическом поле [1];

2) изменению зарядового состояния атома [1];

3) возбуждению колебательных мод атома при безызлучательной рекомбинации на нем электрона [2];

4) фотон-фононному взаимодействию посредством инфракрасного поглощения [3].

Под действием лазерных импульсов в полупроводниках могут возникать внутренние электрические поля. Возникновение таких полей обусловлено генерацией светом свободных носителей заряда и их неравномерным распределением вследствие диффузии [4].

Интересным аспектом исследования полупроводников является также стимулированная электронным пучком десорбция анионов, происходящие под действием процесса под номером один. В оксиде SiO2 в результате десорбции кислорода на чистой поверхности образуются небольшие скопления элементарного Si в матрице SiO2. Такой эффект, вероятно, будет проявляется и при лазерном воздействии.

Все эксперименты выполнялись при комнатной температуре в высоковакуумной системе с начальным остаточным давлением 7·10–8 Па. Регистрировались спектры оже-электронов от загрязненных поверхностей Si, ТiO2 и SiO2 при их облучении импульсным (25 нс) рубиновым лазером (λ=0,694 мкм) в зависимости от плотности энергии в импульсе в интервале 0,3–2,4 Дж/см2. Лазерный пучок вводился в камеру через сапфировое окно и падал на образец примерно под углом +45°, а электронный пучок, используемый при электронной оже-спектроскопии под углом 45°. Средняя плотность энергии в лазерном импульсе оценивалась с помощью калиброванной термопары.

Образцы n-Si (ρ=5 Ом·см), поверхность которых была ориентирована параллельно плоскости (100), не подвергались ни полировке, ни травлению. Пластинки ТiO2 с осью с, нормальной к их поверхности, после химического травления промывались в дистиллированной воде при ультразвуковом встряхивании. Образцы SiO2 вырезались из оптического стекла пирекс (81 % — SiO2, 13 % — B2O3, 4 % — Na2O, 2 % — Al2O3) и промывались в теплой дистиллированной воде при ультразвуковом встряхивании. Перед экспериментом все образцы — Si, ТiO2 и SiO2 окончательно промывались в изопропаноле при ультразвуковом встряхивании, а затем в рабочей высоковакуумной камере прогревались при 175° С [5].

В начале остановимся на результатах исследования оже-спектров кремния. После прогрева в экспериментальной установке сильно загрязненного кремния наблюдаются интенсивные пики углерода, кислорода, SiO2, а также слабый пик серы. В результате воздействия одного лазерного импульса плотностью энергии 0,3 Дж/см2 интенсивность пика “свободного” кремния увеличивается. Концентрация углерода и кислорода с увеличением числа импульсов сначала быстро уменьшается и затем почти не меняется. Интенсивность “свободного” кремния быстро увеличивается до максимальной, а затем уменьшается. Предельные значения отношений оже-сигналов Si/С и Si/О увеличиваются с повышением плотности энергии в импульсе. При интерпретации результатов предполагается, что в случае кремния, загрязненного углеродом и кислородом. процесс лазерной очистки от примесей при импульсном лазерном воздействии обусловливается диффузией. В исходном образце, когда поверхность кремния покрыта толстым слоем углерода и кислорода, оже-спектры почти полностью определяются примесями.

Лазерный импульс вызывает десорбцию поверхностных атомов в вакуум и перераспределение примесей в поверхностном слое, что приводит к увеличению отношений концентраций Si/С и Si/О. После нескольких импульсов устанавливается равновесие в поверхностной стехиометрии, и дополнительное облучение вызывает только незначительные изменения. Минимальный уровень остаточных примесей зависит от плотности энергии в импульсе и начальной загрязнений поверхности. Если бы механизмом, определяющим лазерную очистку, была десорбция примесей в вакуум, сигналы углерода и кислорода в спектре после нескольких лазерных импульсов уменьшались бы до уровня разрешения электронной оже-спектроскопии, вне зависимости от уровня первоначального загрязнения.

После прогрева ТiO2 в высоковакуумной камере на поверхности наблюдаются такие примеси, как углерод, кальций, сера и хлор.

Наблюдается также сигнал алюминия, вероятно, от остатков полирующего абразива. После нескольких лазерных импульсов с плотностью энергии в импульсе 1,5 Дж/см2 никаких следов примесей в спектрах не наблюдается, за исключением слабого пика алюминия. Как и в большинстве оксидов, в ТiO2 наблюдается индуцированная первичными возбуждающими электронами десорбция кислорода из ТiO2. Зависимость концентрации углерода от числа лазерных импульсов в ТiO2 качественно отлична от наблюдаемой в кремнии. После первых импульсов (до трех) отношение оже-сигналов С/Тi мало изменяется. Однако с увеличением числа импульсов от 5 до 15 концентрация углерода и других примесей уменьшается до предельного уровня “чистой” поверхности.

На поверхности SiO2 после прогрева заметны следы углерода, бора, а также “свободного” кремния, индуцированного благодаря десорбции кислорода первичным электронным пучком. Поверхностная стехиометрия окиси кремния соответствует SiOx с х < 2.

С увеличением числа импульсов наблюдается небольшое, но заметное уменьшение относительной интенсивности пика “свободного” кремния. Коэффициент поглощения SiO2 для энергии фотонов рубинового лазера (hv=1,78 эВ) слишком мал, чтобы вызвать плавление или значительную диссоциацию связей. Следовательно, процесс уменьшения “свободного” кремния отличается от эффектов лазерного воздействия, рассмотренных ранее для других материалов. Можно предложить следующее объяснение. При индуцированной электронным пучком десорбции кислорода на поверхности образуются кластеры, состоящие из достаточно большого числа атомов кремния, чтобы обладать “валентной зоной”, подобной валентной зоне объемного кремния. Оптическая ширина запрещенной зоны таких кластеров является функцией размеров или числа атомов в кластере. Эффект уменьшения свободного кремния определяется поглощением лазерной энергии некоторыми из больших кластеров кремния, что приводит к испарению кремния или к уменьшению размера кластеров.

Таким образом, в случае кремния при лазерной очистке происходит диффузия адсорбатов в подложке на глубину, значительно превышающую глубину проникновения первичного электронного пучка оже-спектрометра [5]. Для полупроводникового ТiO2 примеси С, Bа, S, Cl и Al. Наблюдаемые в оже-спектрах соответствующий примесей исходного образца, после нескольких лазерных импульсов десорбируются с поверхности в вакуум. Лазерное облучение SiO2 вызывает уменьшение интенсивности пика при 91 эВ (“свободный” кремний) по сравнению с пиком 78 эВ (SiO2).

Литература:

  1. Джафаров Т. Д. Фотостимулированные атомные процессы в полупроводниках. М.: Энергоатомиздат, 1984. -136 с.
  2. Kimerling L. C. — Solid State Electronics, 1978, v. 21, p. 1391.
  3. Franklin W. H., Sengupta P. — IEEE Quantum Electronics. 1972, v. 8, p. 393.
  4. Мадаминов Х. М., Каримова Г. Применение лазеров в полупроводниковой технологии. Молодой ученый. — 2017. — Т. 135, № 1. — C. 4–7.
  5. Bermudez V. M. Changes in the surface composition of Si, TiO2, and SiO2 induced by pulsed ruby-laser irradiation. — J. Vacuum Sci. and Technology, 1982, v. 20, № 1, p. 51–57.
Основные термины (генерируются автоматически): плотность энергии, импульс, лазерный импульс, ультразвуковое встряхивание, увеличение числа импульсов, поверхность, электронная оже-спектроскопия, лазерная очистка, исходный образец, дополнительное облучение.


Похожие статьи

Импульсно-лазерная очистка поверхности кремния и арсенид...

Ключевые слова: лазер, поверхность, углерод, кислород, электронная оже-спектроскопия.

В последние годы развивается перспективный метод очистки поверхности с помощью импульсного лазерного облучения.

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

где Iи () — форма импульса генерации лазера. В большинстве работ о применении метода ВРП приводят измеренные

Простейшая схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра представлена на рис.2. Здесь аналитические

Задать вопрос. ФИО. Электронная почта.

Исследование генерации второй гармоники твердотельного...

Одним из таких результатов является генерация гармоники лазерного излучения.

С квантовой точки зрения оно представляет собой закон сохранения импульса для фотонов

Сплошные кольца — сечения поверхностей показателей преломления обыкновенной волны...

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

При этом увеличение плотности мощности излучения лазера приводит не только к росту

Быковский Ю. А., Неволин В. В. Лазерная масс-спектрометрия.

Программирование изменения скважности импульсов ШИМ на микроконтроллере STM32 с помощью кнопки.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале...

В нашей статье речь пойдет о лазерном наклёпе поверхности титановых сплавов.

Излучение от такого лазера обладает выдающимися показателями по энергии импульса и частоты «бомбардировки».

К вопросу о биологических эффектах электромагнитного...

Скачать электронную версию. Библиографическое описание: Яргин С. В. К вопросу о биологических эффектах

влияние на плод и на жизненные функции новорожденного» [1]. ППЭ (плотность потока энергии) и мощность поглощенной дозы (SAR) в статье не указаны.

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы...

При интенсивном облучение прозрачного полимера лазерным импульсом, в ряде работ [3] есть данные, в которых говорится, о том, что внутри трещин в полимере находится газ.

Магнитно-импульсная обработка как перспективный метод...

- длительность магнитного импульса; - максимальная энергия импульса; - амплитуда тока.

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Предложено большое число способов измерения смещения λ БР. Наиболее прямым из них

волны света, состава, концентрации и поперечного распределения легирующих примесей, длительности импульса.

Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Импульсно-лазерная очистка поверхности кремния и арсенид...

Ключевые слова: лазер, поверхность, углерод, кислород, электронная оже-спектроскопия.

В последние годы развивается перспективный метод очистки поверхности с помощью импульсного лазерного облучения.

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

где Iи () — форма импульса генерации лазера. В большинстве работ о применении метода ВРП приводят измеренные

Простейшая схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра представлена на рис.2. Здесь аналитические

Задать вопрос. ФИО. Электронная почта.

Исследование генерации второй гармоники твердотельного...

Одним из таких результатов является генерация гармоники лазерного излучения.

С квантовой точки зрения оно представляет собой закон сохранения импульса для фотонов

Сплошные кольца — сечения поверхностей показателей преломления обыкновенной волны...

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

При этом увеличение плотности мощности излучения лазера приводит не только к росту

Быковский Ю. А., Неволин В. В. Лазерная масс-спектрометрия.

Программирование изменения скважности импульсов ШИМ на микроконтроллере STM32 с помощью кнопки.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале...

В нашей статье речь пойдет о лазерном наклёпе поверхности титановых сплавов.

Излучение от такого лазера обладает выдающимися показателями по энергии импульса и частоты «бомбардировки».

К вопросу о биологических эффектах электромагнитного...

Скачать электронную версию. Библиографическое описание: Яргин С. В. К вопросу о биологических эффектах

влияние на плод и на жизненные функции новорожденного» [1]. ППЭ (плотность потока энергии) и мощность поглощенной дозы (SAR) в статье не указаны.

Проблемы лазерной прочности прозрачных полимеров и методы...

При интенсивном облучение прозрачного полимера лазерным импульсом, в ряде работ [3] есть данные, в которых говорится, о том, что внутри трещин в полимере находится газ.

Магнитно-импульсная обработка как перспективный метод...

- длительность магнитного импульса; - максимальная энергия импульса; - амплитуда тока.

Лазерная обработка как перспективный метод повышения износостойкости металлорежущего инструмента.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Предложено большое число способов измерения смещения λ БР. Наиболее прямым из них

волны света, состава, концентрации и поперечного распределения легирующих примесей, длительности импульса.

Реэлейское рассеяние аналогично с лазерным излучением.

Задать вопрос