WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 27 |

Под упругим понимают такое взаимодействие, при котором участвующие в нем частицы обмениваются кинетической энергией, а их внутренняя энергия не изменяется. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что при упругом соударении электрона с неподвижным атомом максимальное значение переданной кинетической энергии определяется соотношением масс взаимодействующих частиц и не может превышать нескольких сотых долей процента от начальной энергии электрона Е1. Тем не менее при очень больших значениях Е1 (сотни кэВ, единицы МэВ) переданной энергии становится достаточно для выбивания атомов из узлов кристаллической решетки. Это приводит к появлению дополнительных, не находящихся в тепловом равновесии с решеткой, дефектов кристаллической структуры - одной из разновидностей радиационных дефектов. Облучение мегавольтными электронами используют на практике, например, для упрочнения некоторых сплавов, для уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках и т.д. Обычно в электронно-лучевой технологии энергия электронов не превышает 100 - 200 кэВ. При такой энергии электрон, упруго рассеиваясь на атоме твердого тела, уже не может разорвать связь с соседями, а лишь смещает его. Смещение любого атома при соударении с электроном вызывает соответствующие смещения соседних атомов, и по атомной цепочке распространяется упругая волна. Такие волны в кристалле могут возникать лишь на определенных дискретных частотах, каждой из которых соответствует свой квант энергии - фонон. Поэтому в каждом акте упругого рассеяния первичный электрон теряет энергию дискретными порциями, соответствующими возбуждению одного или нескольких фононов. Строго говоря, этот процесс не является чисто упругим, поскольку он сопровождается возрастанием внутренней энергии твердого тела - энергии тепловых колебаний. Однако так как энергия фононов значительно меньше, чем энергия первичных электронов, то такое рассеяние считают обычно квазиупругим.

Рассмотрим теперь более обширный класс взаимодействий первичных электронов с твердым телом, в результате которых изменяется не только направление их движения, но и энергия, то есть происходит их торможение.

Торможение электронов при движении в веществе может быть обусловлено различными причинами. Одна из них заключается в том, что взаимодействие движущейся заряженной частицы с полем атомов вещества должно по законам электродинамики сопровождаться появлением квантов электромагнитного излучения. Так как движение первичного электрона в твердом теле не является периодическим, то энергетический спектр такого тормозного излучения имеет непрерывный характер и в соответствии с законом сохранения энергии простирается вплоть до энергии квантов, равной Е1. Поэтому при эксплуатации любой высоковольтной электронно-лучевой установки необходимо применять особые меры для защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения. Тормозное излучение находит применение в различных источниках рентгеновских лучей.

Основной механизм торможения первичных электронов в веществе связан с процессами неупругого рассеяния, в результате которых электронная система твердого тела возбуждается. В конденсированных средах во взаимодействие с пролетающей частицей может вовлекаться одновременно много атомов. В соответствии с этим различают два основных типа электрон-электронных взаимодействий в твердом теле: коллективные и одночастичные.

При коллективных возбуждениях первичный электрон взаимодействует с системой валентных электронов твердого тела, которую можно в этом случае рассматривать как вырожденный газ или плазму свободных электронов в поле однородно распределенного положительного заряда. При внешнем возбуждении такой плазмы возникают колебания электронной плотности на дискретных квантовых частотах, зависящих от концентрации электронов и свойств материала. Квант энергии плазменных колебаний - плазмон - принято считать квазичастицей твердого тела, обладающей определенными значениями энергии и импульса.

При рассеянии на большие углы импульс, передаваемый электронам твердого тела, достаточно велик, и возбужденные колебания становятся настолько коротковолновыми, что электронная плазма ведет себя по отношению к ним как система отдельных свободных частиц, т. е. проявляет второй тип неупругого электрон-электронного рассеяния - одночастичные взаимодействия, при которых энергия первичных электронов тратится на ионизацию и возбуждение атомов твердого тела.

В каждом акте такого взаимодействия один из электронов твердого тела получает от первичного электрона энергию, достаточную для перехода в состояния с более высокой энергией. На энергетическом уровне, с которого произошел переход, при этом образуется вакансия. Вероятность ионизации внутренних энергетических уровней зависит от энергии первичных электронов Е1 и обычно достигает максимума, когда Е1 в несколько раз превышает энергию связи электрона в исходном состоянии.

Возбужденные электроны в момент образования обладают кинетической энергией, превышающей среднюю тепловую энергию электронов проводимости. В дальнейшем эти электроны постепенно теряют избыточную энергию в многочисленных актах неупругого рассеяния. Часть из них после многократного изменения направления движения может достигнуть поверхности твердого тела. Если при этом у возбужденного электрона еще сохраняется энергия, достаточная для преодоления поверхностного потенциального барьера, то он может выйти в вакуум в качестве вторичного электрона. Большинство возбужденных электронов остается в твердом теле и сравнительно быстро (за время 10-14 - 10-12 с) теряет всю избыточную энергию в многочисленных актах торможения. В результате в зоне проводимости накапливаются неравновесные электроны с тепловыми скоростями, так называемые термолизованные электроны. В металлах таких электронов значительно меньше, чем электронов проводимости, поэтому заметное влияние на проводимость они могут оказать только в диэлектриках и полупроводниках. В неметаллических веществах время жизни термолизованных в зоне проводимости электронов, как правило, достаточно велико и может достигать десятков и сотен микросекунд. Однако в конечном счете эти неравновесные электроны неизбежно исчезают в результате рекомбинации с носителями противоположного знака.



Если в результате электронных переходов резко возрастают силы отталкивания между соседними атомами и если эти атомы успевают до начала релаксации разойтись на заметные расстояния (например, при удалении возбужденного или ионизированного атома с поверхности твердого тела), то происходит необратимое изменение состава облучаемого электронами вещества. К процессам такого рода относится электронностимулированная десорбция атомов и молекул, а также диссоциация химических соединений, находящихся на поверхности твердого тела. В последнем случае продукты диссоциации или часть их могут удаляться с поверхности как непосредственно во время облучения (при образовании летучих фракций), так и в результате последующей специальной обработки (прогрева, травления и др.).

Электронная бомбардировка может приводить и к образованию химических соединений, если химическая активность атома при возбуждении возрастает. Электронный луч играет в этом случае роль катализатора. Одной из таких реакций является, например, образование диэлектрических пленок в результате полимеризации адсорбированных на поверхности органических молекул.

Все перечисленные явления широко используются в электронно-лучевой технологии, например в электронолитографии, при нанесении тонких пленок, при размерной обработке (сверление, фрезерование, резка) и т. п. В ряде случаев электронно-стимулированные процессы играют вредную роль. Так, электронное облучение в присутствии углеродсодержащих или кремнийорганических паров сопровождается сравнительно быстрым и весьма стойким загрязнением облучаемой поверхности углеродом или оксидом кремния. Это накладывает дополнительные требования на вакуумные условия в электронно-лучевых установках.

Рассмотрим еще один путь, по которому идет процесс преобразования энергии первичных электронов, играющий исключительно важную роль в технологии, - электронно - лучевой нагрев вещества. Электронный пучок при торможении в твердом теле теряет в нем всю энергию в результате различных упругих и неупругих процессов. Некоторая доля этой энергии уносится из образца эмитированными с поверхности электронами, фотонами и атомными частицами, а оставшаяся часть поглощается веществом и в конечном счете переходит в теплоту. Как и в любом другом способе нагрева, эта теплота отводится от облучаемого участка за счет теплопроводности материала и теплового излучения поверхности. Скорость теплоотвода возрастает при увеличении разности температур между нагреваемой областью и окружающей средой. Поэтому с ростом мощности электронного пучка тепловой баланс между выделяемой и отводимой энергией устанавливается при все более высокой температуре бомбардируемого участка. Повышение температуры, в свою очередь, стимулирует протекание ряда химических процессов, структурных фазовых переходов, отжига дефектов, диффузии, плавления, рекристаллизации, десорбции и испарения с поверхности атомных частиц, термоэлектронной эмиссии и др.

Особенностью электронно-лучевого нагрева является то, что можно достигнуть очень высокой концентрации тепловой энергии при сравнительно малой общей мощности пучка. Это позволяет при необходимости локализовать протекание всех перечисленных процессов в достаточно узкой области образца, температура которой может быть очень высокой. Кроме того, при удельных энергиях первичного пучка более 106 Вт/см2 возрастают механические силы, действующие на облучаемый участок и обусловленные давлением самого электронного пучка, а также реактивным давлением ("давлением отдачи") испаряющихся с поверхности частиц. В результате может наблюдаться аномально глубокое проплавление вещества (кинжальное проплавление) и даже образование сквозных отверстий в месте попадания пучка.

Явление выделения теплоты при электронной бомбардировке лежит в основе таких широко распространенных электронно-лучевых термических технологических процессов, как отжиг, очистка, испарение, плавка, литье, сварка и размерная обработка. Если нагрев электронным лучом нежелателен, то необходимо либо снижать мощность пучка, либо принимать специальные меры для улучшения теплоотвода от облучаемых узлов установок и приборов.

Таким образом, анализ различных физических процессов и явлений, сопровождающих электронную бомбардировку вещества, показывает, что большинство из них может быть с успехом использовано при решении самых разнообразных технологических задач.

Контрольные вопросы Какие процессы протекают при упругом рассеянии электронов в твердом теле При каких условиях упругое рассеяние электронов в твердом теле приводит к образованию дефектов Что такое тормозное излучение и каковы причины его возникновения Поясните механизм вторичной электронной эмиссии.





Как влияет появление неравновесных вторичных электронов при электронной бомбардировке на электропроводность а) металлов; б) полупроводников; в) диэлектриков Каково время термализации остающихся в металле вторичных электронов Приведите примеры процессов изменения состава твердого тела при электронной бомбардировке.

Какой процесс является основным "потребителем" энергии первичного электронного пучка Перечислите основные процессы, протекающие при нагревании твердого тела электронным потоком.

3.2.2. Движение ускоренных электронов в твердом теле Путь, проходимый первичным электроном до термализации, называется траекторным пробегом электрона в данном веществе. Так как этот путь далек от прямолинейного, то на практике важно знать глубину проникновения электронов, которая определяется как проекция траекторного пробега на нормаль к поверхности. Очевидно, что различие между средними значениями глубины проникновения и траекторного пробега будет тем больше, чем более "изломанной" окажется траектория электронов в веществе.

Длина пробега зависит от начальной энергии электронов и тормозной способности вещества, которая, согласно теоретическим и экспериментальным оценкам, возрастает при уменьшении энергии электронов. Это, в частности, означает, что у поверхности, где скорость первичных электронов еще велика, вероятность потери энергии должна быть меньше, чем в конце пробега. В результате максимум пространственного распределения удельной энергии, выделяемой в образце, расположен не на поверхности, а в объеме твердого тела. Эта особенность отличает электронную бомбардировку от других способов передачи энергии твердому телу (например, от лазерного облучения).

При рассмотрении движения быстрых электронов в твердом теле обычно используют приближение непрерывного торможения. Скорость изменения кинетической энергии электронов вдоль пути в твердом теле, полученная при решении квантовомеханического уравнения Бете, имеет вид:

2NA e4Z dE b = - ln, (3.1) dx A I где Е - текущая энергия электронов; - плотность твердого тела; NA - число Авогадро; Z, A - атомный номер и атомный вес; I - средняя энергия возбуждения атома; b - множитель, равный 1,166.

Для практических расчетов траекторного пробега и изменения энергии электронов по глубине обычно используется степенное приближение:

En = En - b1х или R = En /b1 = En k, (3.2) x o o o где b1 - постоянная величина; х - текущая координата; R - глубина проникновения.

Величина показателя n зависит от энергии первичных электронов.

Значения показателей n и k = 1/b1 для различных диапазонов начальных энергий электронов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Зависимость показателя степени n от энергии первичных электронов Диапазон 1-10 5-50 10-100 50-500 102 -103 103-500-энергий, кэВ n 1,35 1,52 1,64 1,77 1,80 1,85 1,k 1,37 0,95 0,64 0,36 0,31 0,22 0,погрешность, % 5 5 3,5 3 2 1 0,Частным случаем уравнения (3.2) при n = 2 является уравнение Виддингтона E2 = E2 - b1l, которое часто используется при расчете потерь x o энергии электронов в металлах.

Еще один эффект, который следует учитывать в электронно-лучевой технологии, состоит в том, что в результате рассеяния электронов при их проникновении в вещество диаметр электронного пучка увеличивается. Если исходный диаметр пучка меньше, чем глубина проникновения электронов (как это имеет место, например, в растровой электронной микроскопии, при электронно-зондовом микроанализе, при электронно-лучевой размерной обработке и др.), то их энергия выделяется в приповерхностном объеме образца, близком по форме к сферическому. Диаметр этой сферы имеет тот же порядок, что и глубина проникновения электронов, и именно его размером ограничивается пространственное разрешение соответствующего способа микрообработки или микроанализа.

Простая феноменологическая модель диффузного проникновения электронов в вещество предполагает, что электроны сначала проходят некоторый путь без рассеяния (хd), а затем изотропно (диффузно) рассеиваются. Если диаметр электронного луча мал по сравнению с глубиной проникновения, то поглощение энергии происходит в сфере радиусом rd = (R - хd). При этом величины хd и rd могут быть приближенно оценены из уравнений:

хd 12R/(Z + 8) и rd (Z - 4)R/(Z + 8). (3.3) 3.2.3. Тепловые эффекты при взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом Для практических целей важно знать область распределения выделенной электронами энергии по глубине материала:

dЕ j dЕ jo Qx = =, (3.4) dx e dx e ef где jo - плотность тока на поверхности материала; (dЕ/dx)ef - эффективные энергетические потери, учитывающие разлет электрона.

5/Eo 1- x dЕ Z + 8 x = 3- 2 exp-. (3.5) dx ef R R 4 R Из рис. 3.1 видно, что максимум энерговыделения наблюдается на глубине xD=; максимальное значение поглощаемой энергии в 1,5-1,7 раза больше значения энергии Q0=E0j0/(Re), выделяемой на поверхности.

Глубина максимального энерговыделения определяется из выражения Z++ - Z + 13 4 R = - + e. (3.6) R Z + 8 Z + Если учесть выражение (3.2) для полной глубины диффузии, то можно получить из формулы (3.6) следующее неравенство:

1 < e3 / xD < 2. (3.7) Z + Отсюда видно, что для веществ с небольшим значением Z глубина максимального энерговыделения всегда меньше диффузионной длины; при росте Z глубина приближается к величине xD.

В качестве примера на рис. 3.2 показано экспериментальное распределение поглощенной энергии по глубине в алюминии.

Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.