Взаимодействие электронов с твёрдым телом. Механизмы торможения электронов в твёрдом теле.

При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом происходит несколько взаимосвязанных процессов: вторичная электронная эмиссия с облучаемой поверхностью, часть первичных электронов отражается от поверх-ности твердого тела, излучение фотонов света и при высоких энергиях – атомов твердого тела. При этом свойства облучаемого твердого тела могут существенно изменяться. Использование электронных потоков в качестве технологического инструмента, находит все более широкое применение. При этом электронный луч позволяет не только изменять свойства обработки поверхности, но и весьма точно контролировать эти изменения.

Электронный луч формируется электронно-лучевой (электронно-оптической) системой, состоящей из эмиттера (катода), прикатодных электродов, электронно-оптической системы. Воздействие электронным лучом, определяется его параметрами: энергией электронов, направлением их движения и интенсивностью потока. Электронно-оптическая система фокусирует электронный луч до малых размеров и направляет его на выбранный участок обрабатываемого объекта. При необходимости обработки по площади можно разворачивать электронный луч по растру или, последовательно перемещая от участка к участку, по программе. Возможно и проекционное использование электронных истоков, создающих широкие (плоские) электронные лучи с требуемым распределением плотности тока по сечению.

Электронная обработка производится в вакууме не хуже 10^-2 – 10^-4 Па (10^{-4 −} 10^-6 мм рт. ст.), чтобы обеспечить необходимую длину свободного пробега электронов в вакууме (при вакууме 10^-4 мм рт. ст., λ = 55 см.). При этом вакууме 99 и более процентов электронов в потоке будет иметь прямолинейные траектории.

При прохождении границы вакуум – твердое тело электроны проникают вглубь материала, испытывая взаимодействие с атомами твердого тела, которые можно разделить на 2 группы: упругие и неупругие взаимодействия.

Упругие взаимодействия

Под упругим взаимодействием понимается такое взаимодействие, при котором участвующие в нём частицы обмениваются кинетической энергией, а их внут-ренняя (потенциальная) энергия остается неизменной. При упругом столкновении электрона с «неподвижным» атомом максимальное значение переданной кинети-ческой энергии определяется соотношением масс взаимодействующих частиц. Тогда импульс электрона изменится на величину:

∆ Р₁ = V_отн, (2.1)

где V_отн = V_ср – средняя относительная скорость движения электронов,

V_ср − средняя тепловая скорость движения электронов,

m_e – масса электрона,

M_а – масса атома,

θ − угол рассеивания электрона.

В результате упругого взаимодействия энергия, которую электрон может от-дать атому составляет не более (по литературным данным это несколь-ко сотых процента!).

В электронно-лучевых технологиях энергия электронов не превышает 100…200 КэВ и её не достаточно для выбивания атомов из узлов кристаллической решетки.

В результате столкновения электрона с кристаллической решеткой твердого тела образуется квант энергии − фонон. Проникая вглубь твердого тела, электроны при каждом столкновении теряют свою энергию дискретными порциями, соответственно возбуждают от одного до нескольких фононов, при этом возрастает внутренняя энергия твердого тела – энергия теплового колебания атомов. Энергия образовавшихся фононов значительно меньше энергии первичных электронов.

В результате столкновений электронов с поверхностными атомами часть первичных электронов возвращается в вакуум (упруго отражённые вторичные электроны). Энергия вторичных электронов практически равна энергии первичных электронов Е₁.

В результате взаимодействия первичных электронов с твердым телом изме-няется не только их направление движения, но и энергия, т. е. происходит их торможение. В результате образуются кванты электромагнитного излучения – тормозное (рентгеновское) излучение. Это излучение имеет довольно широкий спектр (вплоть до Е₁). При очень больших энергиях облучения наблюдается излу-чение Черенкова, которое возникает в случае, когда скорость электронов превышает фазовую скорость электромагнитных волн в этом твердом теле.

Не упругое взаимодействие

Основной механизм торможения первичных электронов в веществе связан с процессом неупругого рассеивания, в результате которого возбуждается электронная система твердого тела: происходит электрон − электронное взаи-модействие. Различают две разновидности этого взаимодействия: коллективные и одночастичные.

При коллективном возбуждении первичный электрон взаимодействует с системой валентных электронов в твердом теле, которые можно рассматривать как вырожденный электронный газ в поле однородно распределенного положительного заряда ядер. При возбуждении такого газа возникают колебание электронной плотности на дискретной квантованной частоте, зависящей от концентрации электронов и свойств материала. Квант энергии плазменных колебаний – плазмон – является квазичастицей твердого тела, обладающей определенным значением энергии и импульса. Различают две разновидности плазменных колебаний – объемные и поверхностные. Энергия объемных плазмонов больше. Время жизни плазмонов не превышает 10^-16 с, При их распаде выделяется энергия, которая уносится электромагнитным излучением (излучение Лилиенфельда), либо передается одному из электронов твердого тела, либо переходит в теплоту твердого тела. Энергия плазмонов зависит от свойств вещества и составляет от 3 до 30 эВ.

При рассеивании на большие углы импульс, передаваемый электроном атому твердого тела достаточно велик и передаваемая энергия составляет

ΔE_max ≤ V_отн (2.2)

и так как m_e << M_a, то ΔE_max m_eV², т.е. при неупругом взаимодействии почти вся энергия электрона передается атому.

При рассеивании на большие углы электронная плазма ведет себя как система отдельных свободных частиц, т.е. проявляется второй тип неупругого электрон – электронного рассеивания – одночастичные взаимодействия, при которых энергия первичных электронов тратится на ионизацию и возбуждение атомов твердого тела.

Кроме рассмотренных эффектов в твердом теле при облучении электронами возникает целый ряд различных явлений: химические реакции, обусловленные электронной бомбардировкой, электронно-стимулированная десорбция и т. д.

Итак, именно процессы неупругого электрон − электронного взаимодействия являются основной причиной торможения первичных электронов в твердом теле, в результате чего электроны (за исключением упруго и неупругоотраженных) полностью теряют начальную энергию и поглощаются веществом.

Путь, проходимый электроном до полной остановки в твердом теле, называется траекторным пробегом. Этот путь не прямолинеен, поэтому на практике важно знать глубину проникновения электронов в объём твёрдого тела, которая определяется как проекция траекторного пробега на нормаль к поверхности обрабатываемого образца.

Длина пробега электронов зависит от начальной энергии электрона Е₁ и тормозной способности вещества, которая возрастает при уменьшении энергии электронов. Это означает, что потери энергии электроном у поверхности, где энергия их еще велика, меньше, чем в конце пробега. В результате максимум пространственного распределения удельной энергия, выделившейся в образце, расположен в глубине твердого тела (в отличие от лазерной обработки, где энергия выделяется на поверхности).

В результате рассеивания электронов в твердом теле диаметр электронного луча с увеличением глубины проникновения увеличивается.

Электронно-лучевая обработка играет исключительно важную роль в техно-логии нагрева вещества электронным лучом. Часть энергии электронного потока уносится и рассеивается, а оставшаяся часть поглощается веществом и переходит в тепло. Эта теплота отводится от облученного участка за счет теплопроводности материала и теплового изучения.

Повышение температуры стимулирует протекание в твердом теле ряда процессов: структурных фазовых переходов, отжига дефектов, диффузии, рекристаллизации, плавления, десорбции, испарения, термоэлектронной и вторичной электронной эмиссий.

Особенностью электронно-лучевого нагрева является возможность дости-жения очень высокой плотности тепловой энергии при сравнительно малой общей мощности пучка (до 10⁶ Вт/см²).

Электронно-лучевая обработка лежит в основе таких широко распро-страненных электронно-лучевых, термических и технологических процессов как: отжиг, очистка, испарения, плавка, рекристаллизация, литье, сварка и размерная обработка.

Преимущества электронно-лучевой обработки:

· универсальность (можно обрабатывать любые вещества),

· отсутствие источника загрязнения,

· высокая управляемость процессом,

· возможность полной автоматизации.

Электронный луч при использования в науке и технике имеет ряд уникальных возможностей:

1. В микро- и наноэлектронике для формирования топологии интегральных микросхем – электронно-лучевая литография,

2. Использование электронного луча для измерений и контроля (электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, электронография, дифракция медленных электронов и т.д.),
3. Использование электронного луча в качестве технологического инструмента.

Дата добавления: 2015-10-24