Determination of the ratio of atoms and molecules in a tellurium beam using a mass spectrometer

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

При получении таких электронных устройств, как транзисторы с высокой подвижностью электронов, лазеры, фотодетекторы важнейшим технологическим этапом является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) [1–4]. В частности, для производства приборов фотоники широко используют тонкие пленки материалов группы II–VI/II–VI (CdTe/HgTe). Это вызывает интерес к изучению зависимости электронных и структурных характеристик пленок на основе теллура и теллуридов от условий получения [5–10]. Важная характеристика, которую необходимо контролировать при использовании МЛЭ с источником молекулярного пучка Те — это состав паровой фазы Те. Изучению его изменения в результате взаимодействия атомов и молекул пара теллура с металлическими подложками посвящена настоящая работа.

Равновесная паровая фаза теллура, в основном, содержит двухатомные молекулы – димеры, а количество атомов и молекул из трех и более атомов — незначительно [11–15]. При измерениях с помощью масс-спектрометрии [16, 17] атомам Те и молекулам Те₂ соответствуют токи ионов мономеров J(Те⁺) и димеров J(Те⁺₂).

Ток ионов атомов J(Те⁺) часто используют как меру общего потока теллура, так как он значительно превышает ток ионов молекул J(Те₂⁺). Это связано с тем, что ионизация димеров Те₂ происходит двумя способами:

Те₂ → Те⁺ + Те + е^– и Те₂ → Те₂⁺ + е^–,

а чувствительность квадрупольных масс-спектрометров с увеличением массы детектируемых ионов уменьшается. Однако, когда исследуют процессы, на которые состав паровой фазы может оказывать сильное влияние, требуются дополнительные измерения.

Данные эксперименты проведены на установке для молекулярно лучевой эпитаксии [18, 19]. На нагретую металлическую подложку падает постоянный поток молекул V_S из источника пучка Те. V₁ и V₂ — потоки атомов Те и молекул Те₂ соответственно. Суммарный поток десорбции атомов Те и молекул Те₂ — (J₁ + 2J₂), выраженный в атомах Те, если не происходит конденсации пленки, равен суммарному падающему потоку V_S:

V_s = V₁ + 2V₂ = J₁ + 2J₂. (1)

С помощью масс-спектрометра регистрируют уходящие с поверхности потоки атомов и молекул Те J₁ и J₂ . В ионном токе J(Те⁺) присутствует вклад от димеров Те₂:

J(Те⁺) = k₁₁J₁ + k₁₂J₂. (2)

Ионный ток от димеров:

J(Те₂⁺) = k₂₂J₂. (3)

Все параметры k_ij — константы чувствительности масс-спектрометра (размерностью ион/атом) и не зависят от изменений падающих и уходящих потоков. Настоящая работа посвящена определению вклада от димеров Те₂ в ионный ток J(Те⁺).

Уходящие с поверхности потоки J₁ и J₂ и токи масс-спектрометра J(Те⁺) и J(Те⁺₂) связаны такими соотношениями, которые следуют из (1), (2) и (3):

k₁₁J₁ = J(Те⁺) – J(Те₂⁺)k₁₂/k₂₂, (4)

V_s = J₁ + 2J₂ = [J(Те⁺) –

– J(Те₂⁺) k₁₂/k₂₂]/k₁₁ + 2J(Те₂⁺)/k₂₂,

S = k ₁₁V_s = J(Те⁺) + aJ(Те₂⁺), (5)

где S — суммарный падающий поток, выраженный в единицах ионного тока, a = (2k₁₁ – k₁₂)/k₂₂ = 2f – d, d = k ₁₂/k ₂₂, f = k ₁₁/k ₂₂.

Величина a = (2k₁₁ – k₁₂ ) / k ₂₂ показывает насколько отличается J(Те⁺) от k₁₁V_s , т. е. как характеризует он общий поток Те, а ее знак, что больше — удвоенная вероятность регистрации иона Те⁺ от мономера Те — 2k₁₁ или от димера Те₂ — k₁₂. Измеряя J(Те⁺) и J(Те₂⁺) при различных температурах подложки T и неизменном падающем потоке можно рассчитать постоянные величины a и S в уравнении (5).

ЭКСПЕРИМЕНТ

Скорости реакций ассоциации мономеров и диссоциации димеров зависят от температуры образца T. При изменении температуры соотношение димеров и мономеров в уходящих с поверхности потоках изменяется. Диапазон изменения выбран в высокотемпературной области, где не происходит конденсации пленки. На рис. 1 показан типичный пример экспериментальных данных. На рис. 1а и 1б — ионные токи J(Те⁺) и J(Те₂⁺), записанные при изменении температуры образца от 930 до 700 К. Здесь и далее ионный ток выражен в пА. Там же указаны интервалы для измерения фона, когда закрыта заслонка падающего пучка (М_V) или масс-спектрометра (М_S). На рис. 1в показано изменение температуры образца T. При уменьшении температуры образца ионный ток мономеров уменьшается почти в два раза (рис. 1а), а ионный ток димеров увеличивается более чем в три раза (рис. 1б). В начале замера, при высокой температуре образца (T = 930 К), отношение ионных токов J(Те⁺)/J(Те₂⁺) = 0.67/0.016 = 42, а в конце, при T = 700 К, J(Те⁺)/J(Те₂⁺) = 0.37/0.1 = 3.7. В данном примере соотношение токов изменятся более чем в 10 раз! Очевидно, что в этих условиях ионный ток мономеров не является мерой общего потока десорбции теллура, который остается постоянным.

Рис. 1. Пример экспериментальных данных (ось ординат слева, точками): изменение ионных токов J(Те⁺) (а) и J(Те₂⁺) (б) и изменение температуры подложки Т (в) в зависимости от времени. На оси ординат справа (сплошные линии) показано положение заслонок падающего пучка Те (М_V) и масс-спектрометра (М_S).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведено несколько серий описанных выше экспериментов. Образец, на поверхности которого происходят исследуемые процессы, загружали в рабочую камеру через шлюзовую систему и располагали на подложке под названием “спутник”. В настоящей работе использованы два типа подложек: спутник с никелевой фольгой (в тексте он обозначен Ni) и спутник, на который нанесена медная пленка (обозначенный Cu). Температура образца T вычисляли из калибровочной таблицы для термопары нагревателя (T_K) и зависит от конструкции спутника, на котором он закреплен. Для образцов Cu использовали поправку на теплопередачу, установленную в отдельном эксперименте: T = 0.6T_K + 250.

На рис. 2 показаны результаты первичной обработки всех серий экспериментов для Ni и Cu. Средние значения ионных токов J(Te⁺) в зависимости от температуры подложки T даны на рис. 2а, а для J(Te₂⁺) — на рис. 2б. Для обеих металлических подложек (никель и медь) получено: a = 3.8.

Рис. 2. Данные первичной обработки для подложек Ni и Cu: средние значения ионных токов J(Te⁺) (а) и J(Te₂⁺) (б) в зависимости от температуры образца Т.

Согласно выражениям (3) и (4) потоки Те — J₁ и Те₂ — J₂ связаны с экспериментальными значениями ионных токов J(Te⁺) и J(Te₂⁺). Если в адсорбционном слое на поверхности подложки устанавливается равновесие реакции Те₂ = Те + Te, то зависимость константы равновесия K_r этой реакции от температуры имеет экспоненциальный характер и определяется энергией реакции: K_r = с exp(b/T). Соотношение потоков Те₂ и Те F_kr = J₁²/J₂ пропорционально K_r:

F_kr = [J(Те⁺) – J(Те⁺₂) d]²/J(Те⁺₂) ~ с exp(b/T), (6)

где с — коэффициент пропорциональности, зависящий от калибровок установки и масс-спектрометра; b = E/k, k = 8.62 × 10^–5 эВ/К — константа Больцмана; E = 1.18 эВ — энергия диссоциации Те₂.

На рис. 3 в логарифмическом масштабе показана аппроксимирующая функция F_apr = lnc + b/T, где параметр d = 2.5 выбран с помощью соответствующего расчета по экспериментальным точкам. Полученное значение энергии диссоциации E согласуется с данными работ по исследованию Те в условиях, приближенных к равновесным [20, 21].

Рис. 3. Эквивалент константы равновесия реакции Те₂ = Те + Te: экспериментальные значения функции ионных токов F_kr (точками) и аппроксимирующая кривая F_apr (сплошная).

Для обеих металлических подложек (никель и медь) получены следующие параметры: a = 3.8, d = k₁₂/k₂₂ = 2.5, f = k₁₁/k₂₂ = (a + d)/2 = 3.15.

ОШИБКИ ИЗМЕРЕНИЙ

К экспериментальным ошибкам следует отнести некоторое непостоянство интенсивности молекулярного пучка Те. В результате некоторых флуктуаций температуры охлаждающих экранов рабочей камеры, экранов источника Те в процессе измерения серии поток мог немного изменяться. Однако влияние этих колебаний на регистрируемый ионный ток для большинства экспериментов было соизмеримым со статистическим шумом ионного тока.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные результаты показывают диапазон изменения потоков мономеров и димеров при различных температурах эксперимента T. Поток мономеров возрастает в 10 раз при повышении T от 650 до 900 К, а димеров уменьшается в 5 раз. Значения ионных токов J(Те⁺) и J(Те₂⁺) при указанных температурах образца и результат расчета потоков атомов (k₁₁J₁) и суммарного (k₁₁V_S) по рис. 1 и 2 приведены в табл. 1. Поток частиц при 650 К состоит на ~8% (0.05 пА/0.65 пА) из мономеров и ~92% из димеров, а при 900 К мономеры составляют 85% (0.55 пА/0.65 пА) от общего потока.

Таблица 1. Токи ионов Те⁺ и Те₂⁺ в пА при разных температурах подложки

Еще раз отметим, что при 650 К ионный ток J(Те⁺) в три раза превышает ионный ток димеров J(Те₂⁺), а реальный поток атомов в 10 раз меньше потока димеров. В этом случае может быть оправдано применение оценки суммарного потока ионным током мономеров J(Те⁺), а поток считать состоящим из димеров. Однако при высоких температурах (900 К) поток состоит в основном из мономеров. Таким образом, наши данные указывают на то, что доля мономеров, деcорбирующих с поверхности при высоких температурах, может быть значительна и необходимо ее учитывать, как при исследовании с помощью масс-спектрометрии процессов эпитаксии CdTe [10, 19], так и при определении зависимости характеристик пленок от условий их получения.

ВЫВОДЫ

Приведенные температурные зависимости ионных токов четко указывают на значительное изменение состава пара десорбции теллура при изменении температуры образца в диапазоне 600–900 K. Характер этой зависимости соответствует равновесному состоянию реакции диссоциации теллура с энергией ~1 эВ.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания НИЦ “Курчатовский институт”. Работа проведена с использованием оборудования ЦКП подразделения “Кристаллография и фотоника”.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

V. I. Mikhailov

Author for correspondence.
Email: vmikh1944@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 123098

L. E. Polyak

Email: vmikh1944@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 123098

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Example of experimental data (ordinate axis on the left, dots): change in ion currents J(Te+) (a) and J(Te2+) (b) and change in substrate temperature T (c) depending on time. The ordinate axis on the right (solid lines) shows the position of the shutters of the incident beam Te (MV) and the mass spectrometer (MS).

Download (65KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Primary processing data for Ni and Cu substrates: average values ​​of ion currents J(Te+) (a) and J(Te2+) (b) depending on sample temperature T.

Download (24KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Equivalent of the equilibrium constant of the reaction Те2 = Те + Те: experimental values ​​of the ion current function Fkr (dots) and the approximating curve Fapr (solid).

Download (9KB)

Indexing metadata