ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 77
Скачиваний: 1
кальности, поскольку исследование проводится в усло виях сверхглубокого вакуума и большого р а з р е ж е н и я :
о
2—3 нм (20—30 А) (автоэлектронный микроскоп) и 0,2—
о
0,3 нм (2—3 А) (автоионный микроскоп) . В последнем случае разрешаются отдельные атомы. При исследовании процессов диффузии чаще используется электронный про ектор.
Р а б о т а автоэлектронного микроскопа (АЭМ) осно вана на явлении автоэлектронной эмиссии, создаваемой приложенным сильным электростатическим полем. При ближенно напряженность поля на острие исследуемого объекта оценивается соотношением
|
|
fer |
(49) |
|
|
|
|
где |
U — приложенное напряжение; |
|
|
|
г — радиус острия, см; |
|
|
fe«5 |
— безразмерный множитель. |
|
|
Обычно U~ 1ч- б кв, и необходимое для эмиссии по |
|||
ле достигается за счет малого г. |
|
||
Д а в л е н и е остаточных газов в АЭ М не д о л ж н о |
превы |
||
шать 1,3-10-Ѵ-1,3-ІЮ-8 н/м2 |
( I C H — ' Ю - 1 0 тор). |
|
|
Поскольку размеры острия очень малы, меньше раз |
|||
мера |
зерна, вершина острия |
представляет собой |
моно |
кристалл. После прогрева кончик острия под действием сил поверхностного натяжения скругляется, вследствие чего на поверхность эмиттера выходят все кристалло графические направления . Так как работа выхода с раз
ных граней различна (с плотноупакованных |
эмиссия |
ма |
л а ) , в о з м о ж н о идентифицировать различные |
грани. |
|
Визуальное наблюдение диффузионной границы |
с по |
|
мощью АЭ М основано на эмиссионном контрасте между поверхностью, покрьітой адатомами, и чистой поверхно стью вследствие их разной эмиссионной способности. Это позволяет наблюдать перемещение атомов на чистой по
верхности |
в сверхглубоком |
вакууме |
1,3- Ю - 8 н/м2 |
|
( Ю - 1 0 тор) при увеличении в 100 |
тыс. раз и |
разрешении |
||
|
о |
|
|
|
примерно в 2 нм (20 А ) . |
|
|
|
|
В ряде работ с помощью АЭМ исследована |
миграция |
|||
газов: на |
в о л ь ф р а м е — водорода |
и кислорода |
в работе |
|
[ЭШ], азота в работе [220]. Установлено, что |
адсорбция |
|||
газов при низкой температуре сильно уменьшает эмисси онную способность источника — возникает резкий эмис-
157
сионный контраст между покрытой и непокрытой частью поверхности. Нагрев приводит к миграции темного (по крытая часть) слоя. Если слой покрытия больше моно атомного, граница движущегося поля резко очерчена, а движение разных газов начинается при различных тем пературах: соответственно 20, 27—77 и 40 К д л я водоро да, кислорода и азота. При недостаточном количестве вещества движение границы прекращается и возобновля ется лишь при значительном повышении температуры; часть поверхности остается непокрытой.
Гомер предложил д л я объяснения наблюдаемой кар тины следующий механизм: при конденсации достаточ ной порции газа на поверхности охлажденного острия об разуется многослойное покрытие, состоящее из первого хемосорбированного слоя и последующих, связанных м е ж д у собой физически и тем слабее, чем дальше слой от поверхности острия. При низких температурах хемосорбированный слой неподвижен, а слои, более слабо свя
занные, могут |
двигаться по |
основному |
хемосорбироваи- |
|||||
ному и, дойдя до его |
края, |
захватываются |
подложкой, |
|||||
распространяя |
границу слоя |
и с о з д а в а я |
впечатление, что |
|||||
она движется |
(так называемый |
механизм |
«развертываю |
|||||
щегося к о в р а » ) . После того |
как |
материал |
второго |
слоя |
||||
исчерпан, движение |
границы |
прекращается . |
Этим |
объ |
||||
ясняется большая разница в энергии активации диффу
зии первого хемосорбированного |
и последующих физиче |
||
ски |
адсорбированных слоев; отношение Qi/Q.o |
доходит |
|
до |
30. |
|
|
|
В работе [156] рассмотрены |
и другие типы |
миграции |
в зависимости от количества конденсата. Однако харак терно, что д л я возобновления поверхностной . диффузии д л я разных газов опять нужна р а з н а я т е м п е р а т у р а : 180—240°К д л я водорода против 500—530°К для кисло рода и 400—650°К д л я азота. Отмечается сильная, ани зотропия поверхностной диффузии по кристаллографи
ческим плоскостям. При этом средняя энергия |
миграции |
||||||
водорода |
на |
вольфраме |
составляет 24,6 |
кдж/г-атом |
|||
(5,9 ккал/г-атом), |
а кислорода и азота 106;5 |
кдж/г-атом |
|||||
(25,5 ккал/г-атом). |
Эти значения, по-видимому, характе |
||||||
ризуют диффузию |
атомов хемосорбированного |
слоя. |
|||||
П о к а з а н о |
[221], |
что |
д и ф ф у з и я |
полупроводниковых |
|||
элементов |
(германия, |
кремния) н а |
в о л ь ф р а м е |
протекает |
|||
качественно |
аналогично диффузии газов. |
|
|||||
Характерно, что отношения энергий активации диф фузии в первом и последующих слоях в германии и крем
нии |
неодинаковы: |
для |
кремния это отношение |
<~ 2,5, а |
для |
германия ~ 7 . |
Это |
может означать более |
сильную |
связь Si—Si по сравнению с Si—W, чем Ge—Ge по срав нению с Ge—W.
Представляют |
интерес' данные о поверхностной |
миг |
|||||
рации SiO |
на в о л ь ф р а м е [222]. Поскольку |
энергия |
дис |
||||
социации |
этого |
соединения |
высока |
[805 |
кдоіс/моль |
||
(192 ккал/моль)], |
диссоциации SiO |
(что могло бы |
ос |
||||
ложнить к а р т и н у ) , |
по-видимому, в процессе диффузии |
не |
|||||
происходит. Общий характер |
миграции сохраняется, |
|
од |
||||
нако энергия активации поверхностной диффузии зна чительно больше, чем кремния. Слой SiO имеет тенден цию к образованию эпитаксиальных участков на плотноупакованных гранях вольфрама, эмиссия которых в этом случае очень мала . Определена [223] энергия поверх ностной диффузии углерода на вольфраме по движению темной границы; Qn 0 B — 3 , 8 4 - Ю - 1 9 дою/атом (2 А эв/атом).
В ряде работ с помощью АЭМ изучена поверхностная диффузия металлических атомов. В случае диффузии атомов с диаметром, большим, чем атомный диаметр подложки (например, для диффузии щелочных и щелоч ноземельных металлов), характерна сильная избира тельная адсорбция, неравномерность эмиссии острия и отсутствие резкой границы при тонких слоях покрытия. В случае близких атомных диаметров (например, Ті и
W) d a . =0,283 нм (2,83Â), a dt |
=0,282 нм |
|
(2,82 А) |
при полном покрытии отмечается |
равномерная |
эмиссия |
|
и четкая граница в тонких слоях; картина |
поверхност |
||
ной диффузии похожа на картину |
миграции |
газов и по |
|
лупроводников. Скорость диффузии и энергия |
активации |
||
процесса анизотропны. Например, согласно данным
Владимирова, |
энергия |
активации |
диффузии |
титана |
по |
||
вольфраму |
в |
зависимости от |
кристаллографического |
||||
направления |
меняется |
от 1 , 4 7 - Ю - 1 9 |
до 3 , 2 - Ю - 1 9 |
дж/атом |
|||
(от 0,92 до 2 эв/атом). |
Средняя |
энергия активации диф |
|||||
фузии тория по вольфраму равна |
3,2• 1 0 - 1 9 док/атом |
(2 |
|||||
эв/атом), а |
никеля по |
молибдену |
0 , 4 9 5 - Ю - 1 9 |
дж/атом |
|||
(0,31 эв/атом)-. |
|
|
|
|
|
|
|
В случае диффузии металлов можно т а к ж е наблюдать миграцию 'Первого и последующих слоев, однако в отличие
159
от газов |
и полупроводников энергия |
активации |
их раз |
||||
личается |
не сильно. Это можно объяснить |
тем, что при |
|||||
адсорбции металла на металл |
действует |
металлическая |
|||||
связь, тогда как в случае газов |
во втором |
и д а л е е |
слоях |
||||
существует физическая |
адсорбция и |
ван-дер-ваальсова |
|||||
связь [156]. |
|
|
|
|
|
|
|
Таким |
образом, характер |
поверхностной |
диффузии |
||||
адатомов |
существенно |
зависит |
от рельефа |
поверхности |
|||
основы, а энергия активации процесса в первом и после
дующих СЛОЯХ ОТ ТИПа |
СВЯЗИ. В ЧаСТНОСТИ, Qncm—QnoB |
||
характеризует металлическое покрытие. |
|
|
|
С помощью АЭ М исследовали влияние |
газов |
на по |
|
верхностную диффузию . Отмечается тенденция |
ускоре |
||
ния самодиффузии в |
присутствии газов |
{например, |
|
вольфрама в присутствии кислорода и паров воды (Миллер) ; то ж е дл я самодиффузии иридия (Бреннер)]
и замедления диффузии (в присутствии кислорода |
и азо |
||
та энергия активации диффузии Си по W |
возрастает с |
||
71 до 104 кдж моль |
[с 17 до 25 ккал/моль |
>(Мелмед)]. |
|
При этом существенную роль играет возможность |
обра |
||
зования соединений |
газов с подложкой и |
адатомами, а |
|
т а к ж е величина энергии связи их. |
|
|
|
Следует отметить, что рассмотренный выше струк турный аспект поверхностной диффузии подтверждается наблюдениями в автоионном микроскопе [156].
Н а рис. 65 видна неупорядоченная |
поверхность |
ост |
|||||||||
рия вольфрама |
после прогрева |
и вполне |
упорядоченная, |
||||||||
когда «лишние» |
атомы |
удалены |
в результате |
испарения |
|||||||
под действием поля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
П о д |
влиянием сильного |
электростатического |
поля |
||||||||
меняется картина диффузионного процесса. |
|
|
|
||||||||
В табл . 13 приведены значения |
энергии |
активации |
|||||||||
поверхностной диффузии в отсутствие поля и в |
сильном |
||||||||||
поле, а т а к ж е поверхностного |
натяжения, |
полученного |
|||||||||
с помощью АЭ М дл я различных |
металлов |
[166]. |
|
||||||||
Видно, что энергия |
активации |
поверхностной |
диф |
||||||||
фузии в электрическом |
поле меньше. |
Согласно |
[226], |
||||||||
это, по-видимому, объясняется |
тем, что при |
наложении |
|||||||||
поля понижается поверхностное |
натяжение о на величи |
||||||||||
ну 1І2<УР2 |
и, следовательно, |
|
QF=Q0—V20F2. |
|
|
|
|||||
Описаны другие приемы определения параметров поверхностной диффузии с помощью автоэлектронного,
160