Measurement of the surface excitation probability of electrons reflected from Si surface

全文:

Введение. Кремний - основной элемент наноэлектроники и фотовольтаической солнечной энергетики. Кремний широко применяется в нанотехнологиях и полупроводниковой электронике как неотъемлемая часть наногетероструктур, обладающих хорошо подходящими для практических применений квантовыми эффектами [1; 2]. Актуальной областью применения кремния является создание на его основе фотоэлектрических преобразователей для космической и авиационной техники [3]. В перспективе фотоэлектрические приборы на основе кремния могут быть изготовлены из материалов, содержащихся в лунном грунте (реголит), при этом возможная энергодобыча намного превысит затраты на доставку оборудования с Земли [4]. Кремний представляет значительный интерес для этих целей, так как является единственным полупроводником, который можно выделить из лунного грунта. С другой стороны, кремний может быть использован для изготовления солончака, как возможного ракетного топлива [5]. В космическом материаловедении, нанотехнологиях и полупроводниковой электронике требуются высокоточные методы исследования состава, структуры, физических и химических свойств поверхности. Методы исследования развиваются как в технологическом направлении, так и направлении обработки и интерпретации экспериментальных результатов. Одним из распространенных методов исследования поверхности является электронная спектроскопия. При входе и выходе из поверхности электроны генерируют поверхностные возбуждения, которые несут количественную информацию о различных процессах взаимодействия электронов с веществом. Ин тенсивности Оже- и фотоэлектронных пиков зависят от вероятности неупругого рассеяния как внутри твердого тела, так и в приповерхностном слое [6; 7]. Поверхностным параметром Pse называется вероятность генерации электроном поверхностных возбуждений при единичном акте взаимодействия с поверхностью [6; 7]. Поверхностный параметр является наиболее удобной величиной для описания влияния поверхностных возбуждений на интенсивность Оже-электронов [7] и играет важную роль при количественном анализе в Оже-электронной спектроскопии (ОЭС), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ). В настоящей работе нами предложен и отработан на серии образцов Si новый метод определения поверхностного параметра из спектров сечения неупругого рассеяния электронов. Методика эксперимента. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов (произведения средней длины неупругого пробега электронов 1 и дифференциального сечения неупругого рассеяния K(E0, E0 - E), где E0 - энергия первичных электронов, E0 - E - потери энергии электронами, Kl-спектры) могут быть использованы для количественного анализа элементного состава в двухкомпонентных композитных структурах [8-11], определения толщины слоя диоксида кремния на кремниевой подложке [12] и расчета параметра поверхностных возбуждений [13-15]. Были исследованы 3 промышленные монокри-сталлические подложки Si (100), один образец Si (111) и образец, представляющий собой эпитаксиальный слой Si толщиной 50 нм на промышленной подложке Si (100), полученный методом молекулярно-лучевой 231 Вестник СибГАУ. 2014. N 4(56) эпитаксии при температуре 700 °С. Все образцы имели электронный тип проводимости. Измерения фотоэлектронных спектров и интегральных спектров потерь энергии отраженных электронов проводили на сверхвысоковакуумном фотоэлектронном спектрометре SPECS (Германия). Спектры потерь энергии отраженных электронов получены в интервале 150 эВ с шагом 0,1 эВ. Энергия потерь T рассчитывалась как разность между энергией первичных электронов Е0 (нулевые потери) и энергией отраженных электронов E, T = Е0 - Е. Энергии первичных электронов составляли 300, 600, 1200, 1900, 3000 эВ, ширина первичного электронного пучка на полувысо-те менее 1 эВ. Из экспериментальных спектров потерь энергии отраженных электронов с помощью программного пакета QUASESTM XS REELS (Quantitative Analysis of Surfaces by Electron Spectroscopy cross section determined by REELS) [16], согласно алгоритму, предложенному в [17], получены спектры сечения неупругого рассеяния электронов. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов, по сравнению со спектрами потерь энергии отраженных электронов, лучше подходят для интерпретации процессов взаимодействия электронов с веществом и позволяют исследовать зависимости интенсивностей поверхностных и объемных возбуждений от энергии первичных электронов и угла эмиссии более точно [18]. Экспериментальные результаты. В основе определения поверхностного параметра лежит разделение поверхностной и объемной составляющих спектра потерь энергии электронами. При увеличении энергии первичных электронов увеличивается вклад объемных возбуждений (объемного плазмона и меж-зонных переходов) и уменьшается вклад поверхностных (поверхностный плазмон и межзонные переходы в поверхностные состояния) [19; 20]. Проследить изменение интенсивностей поверхностных и объемных возбуждений можно как качественно, исследуя зависимость спектра потерь энергии отраженных электронов от энергии первичных электронов и угла детектирования отраженных электронов [20], так и количественно, путем разделения вкладов разной природы, используя факторный анализ [18], моделируя электронный спектр на основании приближения частичных интенсивностей [7; 21; 22]. Упомянутые выше подходы отличаются весьма громоздкими математическими вычислениями. Относительно простой метод экспериментального определения поверхностного параметра из спектров сечения неупругого рассеяния электронов был предложен [13] и модифицирован [14; 15] Гергели. Усовершенствованный метод Гергели предполагает следующий алгоритм: спектры при всех энергиях первичных электронов нормируются в точке, соответствующей максимальной интенсивности спектра, полученного при максимальной энергии первичных электронов; спектр при максимальной энергии аппроксимируется в области объемного пика трехпараметрической функцией сечения неупругого рассеяния электронов Тоугаарда [23]; производится вычитание из экспериментальных спектров пика Тоугаарда (объемного плазмона) и обратная нормировка. Таким образом, выделяется часть спектра, соответствующая поверхностным возбуждениям и отнесенная к площади всего спектра, которая характеризует вероятность потери энергии электроном на поверхностные возбуждения. Площади спектров сечения неупругого рассеяния электронов, рассчитанные по алгоритму Тоугаарда [17], близки к единице, следовательно, интеграл от поверхностной составляющей спектра и равен поверхностному параметру. Трехпараметрическая функция сечения неупругого рассеяния электронов Тоугаарда используется для описания спектров сечения неупругого рассеяния электронов полупроводников и полимеров [23]: (C - T2 )2 + DT2 ’ где B, C, D - подгоночные параметры, которые для каждого элемента имеют определенные значения [23]. Параметр B определяет интенсивность пика, параметр С - положение, параметр D - ширину и косвенно влияет на положение и интенсивность пика. Универсальные функции сечения неупругого рассеяния электронов используются для количественного анализа и вычитания фона в РФЭС, ОЭС и СХПЭЭ [23; 24]. Спектры сечения неупругого рассеяния электронов по потерям энергии для разных образцов Si близки между собой, среднеквадратичное отклонение не превышает 6,5 10-4. На рис. 1, а показан результат выделения поверхностной составляющей в спектре Si (100) по методу Гергели. В спектрах сечения неупругого рассеяния электронов по потерям энергии интенсивности возбуждений разной природы складываются, образуя итоговое распределение произведения средней длины неупругого пробега электронов 1 и дифференциального сечения неупругого рассеяния K. Как видно на рис. 1, метод Гергели не учитывает влияния интенсивности поверхностных возбуждений на интенсивность результирующего спектра в области объемного плазмона (и наоборот), поэтому интенсивность объемного плазмона можно считать завышенной. Предложенный нами метод разложения спектров сечения неупругого рассеяния электронов на пики потерь, описываемые трехпараметрическими универсальными функциями сечения Тоугаарда, позволяет учесть влияние интенсивности поверхностных возбуждений на результирующую интенсивность в области объемного плазмона и, соответственно, выделить поверхностный вклад с большей точностью. На рис. 1, б показано разложение спектра Si на пики потерь. Согласно обозначениям, приведенным в [19], в спектре присутствуют межзонные переходы S1, Е2, S3, поверхностный плазмон S и объемный плазмон V. Природа пика потерь может быть определена из зависимости площади пика, определяющей интенсивность возбуждений, от энергии первичных электронов (рис. 2, а). Площади пиков S3 и S уменьшаются с увеличением энергии первичных электронов, что подтверждает их поверхностную природу, зависимость площади пика объемного плазмона V имеет противоположный характер. Для пиков Si и Е2 в силу их малой интенсивности ошибка при определении площади сравнима 232 Технологические процессы и материалы с величиной площади, поэтому однозначно определить природу этих пиков сложно. Используя разложения спектров сечения неупругого рассеяния электронов на пики потерь, можно рассчитать поверхностный параметр отдельных возбуждений и общий (интегральный) поверхностный параметр как сумму площадей всех поверхностноподобных возбуждений. На рис. 2, б приведены зависимости поверхностного параметра от энергии первичных электронов, рассчитанного по методу Гергели и из разложения. Поверхностный параметр был рассчитан по методу Гергели [14; 15] (Gergely Pse, рис. 2, б) как площади под пиками поверхностного плазмона S и межзонного перехода S3, а также как сумма площадей этих пиков S + S3 (рис. 2, б). Как видно на рис. 2, б, поверхностный параметр, рассчитанный как площадь поверхностного плазмона, превышает поверхностный параметр, рассчитанный по методу Гергели. Это связано с тем, что метод Гергели завышает интенсивность объемного плазмона, занижая интенсивность поверхностного и, следовательно, уменьшая поверхностный параметр. Интрегральный поверхностный параметр (сумма площадей пиков S и S3) также превышает поверхностный параметр, рассчитанный по методу Гергели. Расчет поверхностного параметра по методу Гергели и из разложения спектров на составляющие для разных образцов Si дает хорошо согласующиеся между собой результаты. Поверхностный параметр практически не зависит от кристаллографической ориентации поверхности образца, а метод разложения спектров сечения неупругого рассеяния электронов на составляющие позволяет получить воспроизводимые результаты. Все полученные экспериментально зависимости аппроксимированы полуэмпирической формулой Вернера [6; 7; 22]: Pse =-Г=-+-А-, (2) 0,171ayE0 cos ai +1 0,171ayE0 cos ad +1 где ai = 59°, ad = 0° - соответственно углы падения и детектирования электронов относительно нормали к поверхности. Первое слагаемое учитывает влияние поверхностных возбуждений при входе электронов в образец, второе - при выходе. Полуэмпирическая формула Вернера широко используется для описания поверхностных возбуждений в электронной спектроскопии [6; 7; 14; 15; 22], поскольку хорошо описывает зависимость поверхностного параметра и от энергии первичных электронов, и от углов падения и детектирования. OJOn Объемный плазмон I Поверхностные возбуждения ■ АХ-спектр Объемный плазмон Поверхностные возбуждения 0J0 О 2 4 6 К 10 12 14 16 18 20 22 24 Т, эВ АЯ-спектр Подгоночные ПЕІ к л Подгоночные ники Подгоночный спектр 0 2 4 6 К 10 12 14 16 18 20 22 24 Т, эВ б Рис. 1. Спектр сечения неупругого рассеяния электронов Si (100), полученный при энергии первичных электронов 1200 эВ. Поверхностная часть спектра выделена по методу Гергели (а) и из разложения спектра на пики потерь (б) 0,7 п 0,6 0,5 я I 0,4- §ОЗН О 5 0,2 0J -0,0 * Объемный плазмон Y " Поверхностный плазмон V - Межзонный переход S3 ■"V-- 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Е„,эВ а 0,8 л 0,7 0,6 0,5 ,0,4 ОД 0,2 0.]- 0,0 Y О V Поверхностный плазмон О Межзонный переход Sj Y S*S, О Gergely Р^ Wemer Р , "'"О* - -w --О О----о о-----------о 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Е„,эВ б Рис. 2. Зависимости площади подгоночных пиков (а) и поверхностного параметра (б) от энергии первичных электронов а 233 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) Подгоночный параметр а Метод определения Pse Метод Гергели Через площадь пика S Через площадь пика S3 Через сумму площадей пиков S и S3 Подгоночный параметр a 1,41 1,04 7,91 0,83 Подгоночный параметр а является материал-зависимым и составляет 1 для свободного электронного газа и 2 для переходных металлов [6]. Значение параметра a для Si составляет от 0,7 до 1,5 соответственно в источниках [14] и [6]. Значения подгоночного параметра а приведены в таблице. Полученный нами параметр a согласуется с приведенным в литературе для Si, за исключением параметра, полученного при аппроксимации зависимости площади межзонного перехода S3 от энергии первичных электронов, - вклад данного пика очень мал по сравнению с вкладом пика S. Заключение. Предложенный нами метод определения поверхностного параметра позволяет детально (вплоть до расчета вероятности потери энергии электроном на возбуждение межзонных переходов и поверхностных плазмонов) оценить влияние поверхностных возбуждений на спектр сечения неупругого рассеяния электронов. Расчет поверхностного параметра из разложения спектров сечения неупругого рассеяния электронов на пики потерь, по сравнению с теоретическими методами прост в реализации и в отличие от экспериментального метода Гергели позволяет анализировать результирующий спектр как суперпозицию вкладов различной природы. Разложение спектров сечения неупругого рассеяния электронов на пики потерь и значение поверхностного параметра для разных образцов Si дает хорошо согласующиеся между собой результаты, что свидетельствует о воспроизводимости предложенного метода. Библиографические ссылки

作者简介

Aleksandr Igumenov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: igumenovau@mail.ru
postgraduate student

Anatoliy Parshin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: aparshin@sibsau.ru
Cand. Sc., Docent, head of Technical Physics department

Yuriy Mikhlin

Institute of Chemistry and Chemical Technologies, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: yumikh@icct.ru
Dr. Sc., senior researcher

Oleg Pchelyakov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: pch@isp.nsc.ru
Dr. Sc., Deputy Director for Science

Aleksandr Nikiforov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Cand. Sc., senior researcher, head of the laboratory

Vyacheslav Timofeev

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Cand. Sc., research fellow

参考

补充文件