Содержание
1. Введение.
2. О физических явлениях в рентгеновской литографии.
3. Упругое рассеяние.
4. Неупругое рассеяние.
5. Вторичная электронная эмиссия.
6. Взаимодействие рентгеновского излучения с твердым телом.
7. Литературный обзор.
1. Введение
Взаимодействие ионизирующих излучений с твердым телом является основой многих технологических процессов, которые используются во многих областях промышленности. В свое время исследование процессов взаимодействия дало сильный толчок развитию вакуумной техники, электроники, микроэлектроники.
К таким излучениям относятся гамма-кванты, ультрафиолетовое излучение, электроны, ионы. При взаимодействии ионизирующих излучений с твердым телом происходит изменение его физических и химических свойств.
Взаимодействие ионов с твердым телом используется в таких процессах как, распыление атомов, десорбция атомов, имплантация. Этот вид взаимодействия в основном происходит в приповерхностном слое твердых тел. Несложно контролировать, задавать количество внедряемых, внедренных ионов. С помощью ионно-воздействующих процессов можно осуществлять, другими методами не осуществимые процессы. Например, вводить плохо диффундирующие примеси, создавать дефекты, добиваться более чистых поверхностей, лучшей адгезии и т.д..
Электронно-лучевые методы подразделяются на термические и нетермические. Все термические электронно-лучевые методы сопровождаются нагревом обрабатываемого тела. Нетермические методы – без теплового эффекта. Нетермические методы часто используются в процессах анализа структур и состава твердых тел. Электронно-лучевые методы в основном сопровождаются вторичными эффектами: отраженные электроны, оже-электроны, вторичная эмиссия.
Как правило, в имеющейся литературе вопросы взаимодействия с веществом высокоэнергетичных фотонов исследуются с точки зрения проблем ускорительной техники, физики высоких энергий, ядерной энергетики. Другая область корпускулярно-лучевой физики и физики рентгеновского излучения – это диагностика материалов. В последнее время физика рентгеновского излучения большое применение получила в области субмикронной размерной обработки материалов, основанной на методе рентгеновской литографии.
2. О физических явлениях при рентгеновской литографии
Данная работа посвящена рассмотрению физики рентгеновской литографии. По физической сущности этот процесс можно назвать субмикронная фотолитография. С помощью этого процесса, возможно получить субмикронное разрешение, а технологическая карта сравнима с технологической картой фотолитографии с использованием световых волн видимого диапазона ( ).
К физике рентгеновской литографии мы будем относить физику источников рентгеновского излучения, а также физику взаимодействия этого излучения с веществом. Физика взаимодействия излучения с веществом ставит следующие проблемы. При создании источников однородного излучения стоят задачи выбора материалов окон для этих источников и материалов устройств, определяющих спектральный состав и пространственное распределение излучения, при изготовлении фотошаблонов – выбора материалов «прозрачной» подложки и «непрозрачной» пленки, являющейся изображением прибора на фотошаблоне. Прозрачность материала, как и отражающая способность, определяются процессами взаимодействия фотонов падающего излучения с атомами вещества. Этими же явлениями определяется процесс экспонирования полимерных фоточувствительных материалов, называемых фоторезистами (рентгенорезистами).
Попадая в твердое тело, электроны испытывают многочисленные акты взаимодействия с атомами твердого тела, т.е. с атомными электронами и атомными ядрами. Различают упругое и неупругое рассеяние, вторичную электронную эмиссию. Эти процессы протекают одновременно. При упругом рассеянии внутренняя энергия налетающей частицы и атома не изменяется, происходит лишь перераспределение кинетической энергии между ними и изменение направления их движения. Неупругим рассеянием называются столкновения, сопровождающиеся изменением внутреннего состояния сталкивающихся частиц. Определенное количество кинетической энергии налетающей частицы (неупругие потери-Q) расходуется на электронные переходы – возбуждение, ионизацию, переход или обмен атомных электронов. В результате кинетическая энергия частицы Ee2 и атома Ea2 после столкновения будет меньше, чем начальная их энергия (Ee1+Ea1), причем разность их равна Q. (Ee1+Ea1)-(Ee2+Ea2)=Q .
При прохождении через вещество рентгеновского излучения основными являются эффекты возбуждения и ионизации его атомов. При передаче энергии фотона электрону атома он (электрон) может перейти в незанятое связанное (возбуждение), или делокализованное состояние (внутренний фотоэффект), или же в вакуум (внешний фотоэффект). Энергия кванта может быть передана электронам внутренних оболочек, в валентной зоне или в зоне проводимости (для металлов), валентным электронам (для молекулярных твердых тел). Возможен также переход электронов в состояния в запрещенной зоне, в результате которого происходит образование связанной пары электрон-дырка, называемой экситоном.
Первичный фотоэлектрон, образовавшийся в результате поглощения энергии кванта, может обладать значительной энергией , если >> , где - энергия ионизации соответствующей оболочки атома. Например, энергия фотоэлектрона, образованного при поглощении рентгеновских квантов с энергией кэВ, может составить величину порядка сотен электронвольт. Очевидно, такой электрон способен в процессе торможения произвести ряд вторичных актов возбуждения или ионизации электронов на внешних оболочках атомов, например, электронов валентной зоны, поскольку ширина запрещенной зоны составляет всего несколько электронвольт. Аналогично фотоэлектроны, возникшие в молекулярном фоторезисте в результате поглощения рентгеновских квантов, способны вызвать вторичные акты возбуждения и ионизации молекул, конечным результатом которых также может стать разрыв или сшивка молекулярной цепочки.
В результате фотоэффекта или возбуждения электронов внутренних оболочек или валентной зоны образуются дырки. Заполнение этих дырок электронами сопровождается излучением характеристического кванта (флуоресценция) или проходит как двухэлектронный оже-процесс, в котором один электрон заполняет дырку, уменьшая свою энергию, а другой уносит избыток энергии, переходя в делокализованное состояние. Отношение вероятности флуоресценции к вероятности оже-процесса быстро возрастает с ростом атомного номера элемента Z (примерно как ). Поэтому при рентгеновском облучении материалов, состоящих из легких атомов, заполнение дырки в атоме происходит чаще с образованием оже-электронов. Последние, как и энергетичные фотоэлектроны, могут вызвать вторичные акты возбуждения и ионизации, ведущие, например, к разрыву молекул рентгенорезистов.
Интересующие нас значения квантов в рентгеновской литографии лежат в диапазоне 10эВ – 5кэВ. Во всем этом диапазоне основным процессом, ответственным за ослабление излучения, является фотоэлектронное поглощение. Известное явление комптоновского рассеяния рентгеновских фотонов на электронах атомов, рассматриваемых как свободные, становится существенным фактором только при энергиях квантов от десятков килоэлектронвольт. Сдвиг частоты квантов в комптон-эффекте вычисляется непосредственно из законов сохранения энергии и импульса. В диапазоне энергий 10эВ-5кэВ сдвиг частоты кванта в результате комптоновского рассеяния мал, и рассеяние переходит в упругое релеевское. Ввиду малости сечения комптоновского рассеяния по сравнению с сечением фотоэлектронного поглощения не будем подробно рассматривать комптоновское рассеяние. Что касается процесса фоторождения электронно-позитронных пар, то его роль становится существенной при энергиях фотонов в десятки мегаэлектронвольт.