Физика взаимодействия ускоренных ионов, электронов и атомов с веществом : ускоренные электроны

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2021 

Кафедра технологии материалов электроники

Г.Д. Кузнецов 
А.Р. Кушхов 
 

Физика взаимодействия
ускоренных ионов, электронов 
и атомов с веществом 

Ускоренные электроны 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2012 

УДК 621.315 
 
К89 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. П.Б. Лагов 

Кузнецов, Г.Д. 
К89  
Физика взаимодействия ускоренных ионов, электронов и 
атомов с веществом : ускоренные электроны : учеб. пособие / 
Г.Д. Кузнецов, А.Р. Кушхов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 
97 с. 
ISBN 978-5-87623-572-5 

Учебное пособие посвящено основам физики взаимодействия ускоренных электронов с твердым телом, широко применяемых в электронике. Рассматривается энергетика и основные взаимодействия электронов с веществом в зависимости от их энергии. Анализируются особенности взаимодействия электронов с тонкопленочными гетерокомпозициями, включая дефектообразование. Рассматриваются основы теории электронно-лучевого нагрева 
облучаемого электронами твердого тела. 
В каждой главе приводятся контрольные вопросы для проверки усвоения 
материала, темы практических занятий и индивидуальных домашних заданий. 
Учебное пособие подготовлено по рекомендации горно-металлургической секции PAEН. 
Соответствует программе курса «Физика взаимодействия ускоренных 
ионов, электронов и атомов с веществом». 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника» и может быть полезно для обучающихся по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника». 

УДК 621.315 

ISBN 978-5-87623-572-5 
© Г.Д. Кузнецов, 
А.Р. Кушхов, 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
Список основных обозначений ...............................................................5 
Введение....................................................................................................6 
1. Физика взаимодействия ускоренных электронов  
с твердым телом......................................................................................14 
1.1. Параметры электронного потока ...............................................14 
1.2. Энергетика взаимодействия электронов с веществом .............17 
1.3. Основные эффекты взаимодействия электронов  
с твердым телом..................................................................................20 
1.4. Пробег электронов в твердом теле.............................................26 
Контрольные вопросы........................................................................29 
Темы практических занятий..............................................................29 
Домашние задания..............................................................................30 
2. Основы теории электронно-лучевого нагрева .................................32 
2.1. Взаимодействие электронного луча с веществом ....................33 
2.2. Распределение энергии электронного луча  
в рабочей камере.................................................................................42 
2.3. Распределение энергии электронов в веществе........................55 
2.4. Выделение и распространение тепла в веществе .....................62 
Контрольные вопросы........................................................................72 
Темы практических занятий..............................................................73 
Домашнее задание ..............................................................................74 
3. Воздействие высокоэнергетических электронов  
на тонкопленочные гетерокомпозиции ................................................75 
3.1. Прохождение электронов через тонкие пленки........................75 
3.2. Радиационные образования центров в гетеросруктурах..........82 
3.3. Изменение электрофизических параметров гетероструктур 
металл – диэлектрик – полупроводник.............................................89 
Контрольные вопросы........................................................................92 
Темы практических занятий..............................................................93 
Домашнее задание ..............................................................................94 
Заключение..............................................................................................95 
Библиографический список...................................................................96 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Основной целью настоящего учебного пособия является краткое 
изложение основ физики взаимодействия ускоренных электронов с 
твердым телом для понимания обучающимися возможности применения электронов в решении практических задач современной электроники, включая микро- и наноэлектронику. Освоение студентами 
данного раздела курса позволит им получить профессиональную 
компетенцию в знаниях и практике в области обработки материалов. 
В технологическом аспекте под ускоренными электронами в рамках настоящего пособия следует понимать специально созданный 
поток электронов, энергия которых, как правило, превышает энергию 
активации большинства процессов, используемых при создании изделий электронной техники. 
Электронные потоки уже более 50 лет используются в технологии 
различных отраслей промышленности во всем мире: энергетика, машиностроение, металлургия, приборостроение и электроника (фрезерование, сверление, термообработка, плавка, сварка, пайка, получение пленок и др.). 
В электронике получило заметное распространение применение 
электронных пучков для электронной литографии, электронной микроскопии, повышения быстродействия, радиационной стойкости, 
стабильности параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем, регулирование выхода годных изделий и восстановление параметрического брака. 
В определенной степени к этому же разделу знаний относятся и 
плазмохимические процессы получения наноразмерных материалов 
(например, углеродных нанотрубок), в которых электроны играют 
основную роль. Следует отметить, что в этом случае имеются физико-химические особенности и они требуют отдельного рассмотрения. 
Авторы 
благодарят 
сотрудников 
кафедры 
ППЭиФПП 
А.М. Мусалитина и Ю.В. Осипова за помощь в подготовке пособия. 

Список основных обозначений 

ЭИКТ – электронно-ионная и квантовая технология 
ЭПР – электронно-парамагнитный резонанс 
γe – плотность потока электронов 
Ee – энергия электронов 
Фe – доза воздействия электронов 
Ie – ток электронного луча 
Ue – ускоряющее напряжение 
Iф – ток фокусирующей системы 
l – рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности обрабатываемой детали) 
υe – скорость перемещения электронного пучка 
q – мощность электронного луча 
q2 – удельная мощность электронного луча 
e  – элементарный заряд электрона 
k – постоянная Больцмана 
Т – температура 
ρ – плотность 
I – средний потенциал ионизации атома вещества 

0
e
E  – энергия падающих электронов 
Епор – пороговая энергия смещения атома 
Еmax – максимальная энергия, которая может быть передана ядру электроном 
n0 – число атомов в единице объема кристалла 
v  – среднее число дефектов, приходящихся на каждый первично смещенный атом 
RB – длина пробега электрона (пробег Бете) 
Re – реальный пробег электронов 
Un – разность потенциалов между катодом излучателя и обрабатываемой поверхностью 
Sл – поперечное сечение обрабатываемой поверхности 
rл – радиус луча на обрабатываемой поверхности 
σα – эффективное сечение ионизации атома пролетающим электроном 
Uа – анодное напряжение установки 
Rоб – сопротивление образца 
Z – атомный номер элемента 
NА – число Авогадро 
η – коэффициент обратного рассеяния 
М – масса атома вещества 
с – скорость света 
Nd – полное число смещенных атомов в веществе при бомбардировке электронами 

ВВЕДЕНИЕ 

Задачи обработки материалов и изделий машиностроения, приборостроения и электронной техники, исследования свойств материалов и изделий, а также задачи получения новых материалов успешно 
решаются методами электронно-ионной и квантовой технологии. 
Электронно-ионная и квантовая технология (ЭИКТ) – это новая 
отрасль техники, использующая ускоренные частицы (электроны, 
ионы, кванты света или потоки нейтральных частиц) для размерной 
обработки объекта, изменения его состава или структуры как в объеме, так и на поверхности. 
Характерной особенностью всех методов ЭИКТ является отсутствие инструментального контакта (в обычном понимании) с обрабатываемым объектом: инструментом служат пучки ускоренных частиц. Единство физических процессов воздействия на вещества связывает в единое целое в теоретическом и методическом смысле электронный пучок, луч лазера и ускоренные плазменные потоки. 
Параллельно с ЭИКТ развивается близкая к ней новая отрасль 
техники – радиационная технология, использующая физические изменения в веществах в результате воздействия на него нейтронных 
или γ-потоков, пучков электронов или ионов с энергиями более нескольких мегаэлектронвольт (МэВ), мощных рентгеновских импульсов или высокотемпературной плазмы (Т > 106 К). В некоторых случаях методически трудно провести четкую границу между методами 
ЭИКТ и радиационной технологии. 
В настоящее время работники промышленности могут выбирать 
тот или иной способ ЭИКТ с учетом их широких возможностей. 
Наиболее активно методы ЭИКТ осваиваются производством, связанным с изготовлением изделий микроэлектроники. 
Приведем наиболее характерные особенности процессов ЭИКТ. 
1. Широкий диапазон удельных мощностей, выделяемых на объекте (один монослой вещества при ионном анализе поверхности 
можно удалить за десятки часов, когда плотность тока составляет  
10–8 А/см2. Фокусируя лазерное излучение в пятно диаметром 1 мкм, 
можно достигнуть плотности мощности до 1016 Вт/см2). 
2. Малая инерционность управления заряженными пучками с помощью электрических и магнитных полей, простота в регулировании 
мощности; этот фактор становится основным при выполнении прецизионных работ (например, в электронолитографии) и позволяет 
эффективно управлять процессом. 

3. Возможность фокусировки и управления направлением потоков 
частиц, получение частиц со строго контролируемыми значениями 
энергии. Так, в различных технологических задачах используются 
электроны и ионы с энергиями от долей электронвольта до нескольких мегаэлектронвольт, электронный пучок может быть сфокусирован до диаметра 3...30 Å*. В то же время применяется нагрев поверхности площадью в несколько квадратных метров электронами, эмитируемыми газоразрядной плазмой. Электронная и ионная оптика 
позволяет разделить пучки электронов и ионов, осуществить сепарацию ионов по энергиям или по отношению их заряда к массе. 
4. Высокая воспроизводимость параметров процесса ЭИКТ, обусловленная высокой стабилизацией источников питания и управления потоками; например, промышленные блоки питания имеют стабилизацию по напряжению на уровне 0,001 %. 
5. Соединение процессов обработки объекта с одновременным 
анализом его химического состава и структуры и контролем за ходом 
процесса в единой технологическо-аналитической установке; например, контроль границ соединяемых материалов по излучению вторичных электронов перед началом электронно-лучевой сварки; рентгеноструктурный анализ сварного соединения; технологические комплексы для молекулярной эпитаксии при выращивании «сверхрешеток» (чередующиеся через 15...20 Å правильные по кристаллографии 
бездефектные слои). 
6. Чистота процессов ЭИКТ, обусловленная выполнением операций в высоком вакууме, гарантирует сохранение чистоты материала 
объекта или улучшение его исходного состава. Например, получение 
вакуумно-плавленых металлов и сплавов в вакуумных дуговых и 
электронно-лучевых установках, когда концентрации легколетучих 
примесей и растворенных газов снижаются в 103–104 раз; напыление 
пленок в установках сверхвысокого вакуума, в которых гарантируется давление 10–4...10–7 Па. При таком вакууме образование слоя адсорбируемых молекул на поверхности кристалла после скалывания 
занимает несколько часов, т.е. в течение длительного времени поверхность кристалла может быть атомно-чистой. 
7. Возможность локального или селективного воздействия на поверхность или приповерхностные слои объекта. Под локальным понимается воздействие на малые в геометрическом смысле участки 
объекта, под селективностью – воздействие только на определенную 
структурную часть объекта: конкретный вид пленочного покрытия, 

––––––––– 
* 1 Å = 0,1 нм. 

конкретные группы внедренных атомов и т.п. Воздействие может 
быть как термическим, так и нетермическим. 
8. Использование методов лучевого воздействия на вещество для 
анализа его структуры или химического состава. К настоящему времени разработан ряд аналитических приборов, действие которых основано на тех же физических явлениях, что и технологические процессы ЭИКТ. Это электронографы, электронные микроскопы, ожеспектрометры, спектрометры, использующие вторичную ионноионную эмиссию, и т.д. Единство природы технологических и аналитических операций обусловило задачу конструирования установок, 
совмещающих в себе обработку и анализ ее результатов. 
9. Совмещение операций на одной технологической установке в 
непрерывном технологическом цикле позволяет легко перейти к полной автоматизации процесса и резко повышает производительность 
труда. На одной установке возможны очистка подложек ионной бомбардировкой, напыление пленок сложного состава, контроль их параметров (состав, толщина); совмещение этапов ионного легирования с лазерным отжигом и последующим контролем профиля залегания легирующей примеси. 
10. Сравнительная простота построения математических моделей 
процессов ЭИКГ на базе изучения физических закономерностей 
взаимодействия ускоренных частиц с твердым телом. Наличие математических моделей позволяет использовать современные методы 
оптимизации и управления технологическими процессами. 
Разработка конкретного вида технологического процесса ЭИКТ 
сталкивается с решением вопросов, которые можно разделить на три 
группы: 1) физические ограничения на необходимость или возможность получения структуры с требуемыми размерами и конфигурацией, 2) предельные возможности технологии, 3) экономические и организационные проблемы. 
Говоря о физических ограничениях, можно привести пример планарного транзистора в составе микросхемы. В настоящее время выяснено, что существует некоторый минимальный размер транзисторной структуры, такой, что структура с меньшими размерами теряет 
стабильность параметров или перестает быть транзистором. С одной 
стороны, основные элементы конструкции транзистора с минимальными размерами имеют протяженность порядка сотен (до тысячи) 
ангстрем. Отсюда возникает задача субмикронной технологии. С другой стороны, ясно, что для создания транзисторных структур вряд ли 
понадобятся технологические процессы с разрешением более 20 Å. 
Такое разрешение желательно для создания пьезоэлектрических пре

образователей на частоты СВЧ диапазона. Эта технологическая проблема еще не имеет практического решения. 
Примером предельных возможностей технологии служит дифракционный предел разрешения фотолитографии, определяемый длиной 
волны света и дающий разрешение фотолитографии в лучшем случае 
порядка 1 мкм. Предельные возможности ЭИКТ определяются разбросом скоростей электронов, вылетающих с термокатода, закономерностями отбора частиц из плазменного источника, расталкиванием одноименных зарядов в протяженных пучках, процессами рассеяния частиц в веществе. Примером предельной возможности технологии могут служить свойства электронорезиста, его чувствительность 
и разрешающая способность. Некоторые из них определяются сегодняшним уровнем развития науки и техники – электронной оптики, 
химии полимеров (электронорезист) и т.д., а другие определены самой природой явления – дифракцией света, процессами рассеяния 
частиц в веществе. Поэтому преодоление соответствующих пределов 
требует перехода к использованию других физических явлений (переход от фотолитографии к рентгенолитографии или электронной 
литографии). 
Экономические и организационные проблемы возникают всякий 
раз при совершенствовании технологического процесса. Технологическое оборудование часто стареет морально быстрее, чем успевают 
амортизироваться затраты на его приобретение и ввод в действие. 
Стремительное развитие технологии микроэлектроники не позволяет 
отработать технологию до высокого процента выхода изделий и вынуждает переходить к новым, более сложным изделиям, сохраняя 
процент выхода годных на каждом этапе развития технологии в пределах одного-двух десятков процентов. Несмотря на высокую стоимость технологического оборудования (десятки и сотни тысяч рублей 
за единицу), новейшее оборудование ЭИКТ каждый год появляется в 
цехах современных производств. Особенно остро стоит вопрос об 
оснащении лабораторий и цехов приборами и установками, осуществляющими анализ состава и структуры изготовляемых изделий. 
Решение фундаментальных и прикладных проблем значительно 
расширит области использования ЭИКТ. В электронной технологии 
можно отметить такие важные проблемы, как разработка высокостабильных источников электронов и ионов с высокой яркостью, прецизионное управление остросфокусированными лучами, повышение 
производительности процессов электронолитографии, фокусировка 
интенсивных пучков с малыми аберрациями, возможность вывода 
пучков в атмосферу. В процессах ионной технологии остаются нере

шенными проблемы использования эффекта каналирования при ионном легировании, образование дефектов, их отжиг, а также легирование на большие глубины (до единиц микрометров). Радиационные 
нарушения легируемой структуры могут стимулировать ряд процессов в твердых телах. Разработку теоретических основ ионных процессов нельзя считать законченной; наиболее известная в настоящее 
время статистическая теория пробегов ионов в твердых телах (теория 
Линхарда – Шарфа – Шиотта) имеет ограниченную энергетическую 
область применения. Эта теория не может предсказывать экспериментальные результаты при легировании ионами малых по сравнению с атомами мишени масс и неприменима для малых энергий, которые достигаются в процессе торможения иона в мишени. 
Кроме того, в ионной технологии необходимо решить вопросы источников моноэнергетических ионов, сепарации пучков с большой 
плотностью тока, использования тяжелых ионов, ускорения в промышленных установках до энергий порядка нескольких мегаэлектронвольт, создания этих установок со сверхвысоким безмасляным 
вакуумом. Широкое использование плазменных методов в последние 
годы для обработки материалов в плазменной струе (плазмотроны), а 
также плазмохимические способы нанесения и обработки пленок в 
микроэлектронике далеко не исчерпывают всех перспективных направлений плазменной технологии. Исследования вакуумной сильноточной дуги в парах материалов электродов позволят синтезировать 
новые материалы, наносить покрытия, легировать поверхностные 
слои, создавать эффективные откачные системы. Вместе с тем в этом 
направлении еще не решены вопросы стабилизации горения дуги, 
однородности нанесенных пленок, управления потоком ускоренной 
плазмы вещества. Дальнейшее внедрение лазерной технологии в 
промышленность зависит от повышения производительности, срока 
службы активных элементов и надежности лазеров. Существующие 
лазеры имеют относительно малый КПД; они не перекрывают всего 
диапазона длин волн, который может быть использован для технологических целей. Далеко не все теоретические проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом можно считать решенными; 
так, продолжаются поиски оптимальной физической модели, описывающей процесс лазерного отжига ионно-легированных структур 
(длительность импульса 15...20 нс достаточна для отжига дефектов и 
электрической активации примесей без искажения первоначального 
профиля легирования). 
В табл. В1 приведены достигнутые технические пределы по некоторым видам процессов ЭИКТ.