рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Взаимодействие ионизирующего излучения с твердым телом

Работа сделанна в 2004 году

Взаимодействие ионизирующего излучения с твердым телом - Курсовая Работа, раздел Физика, - 2004 год - Московский Государственный Институт Радиотехники Электроники Автоматики Техни...

Московский Государственный Институт Радиотехники Электроники Автоматики Технический университет Факультет Электроника Кафедра ТОРЭ Курсовая работа по дисциплине Взаимодействие ионизирующих излучений с твердым телом на тему Рентгеновская литография Работу выполнил Студент Нагорнов К. Группа ЭМ-3-00 Руководитель профессор Иванов В.И. Москва 2004 Содержание Стр. 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 Ee1Ea1, причем разность их равна Q. Ee1Ea1-Ee2Ea2Q . 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. 3. Упругое рассеяние Упругие рассеяния возникают, прежде всего в результате взаимодействия с кулоновским полем экранированного ядра атома. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что при упругом соударении электрона с неподвижным атомом максимальное значение преданной кинетической энергии определяется соотношением масс взаимодействующих частиц и не может превышать нескольких сотых долей процента от начальной энергии электрона, т.е. энергия электрона не меняется, а изменяется только направление движения это справедливо для нерелятивистских электронов, где - кинетическая энергия электрона - энергия покоя электрона - масса покоя электрона с скорость света в вакууме.

Полная энергия электрона. Максимально возможная энергия, которая может быть передана электроном при лобовом столкновении, определяется выражением, эВ где М масса атома.

Если - пороговое значение энергии, необходимой для смещения атома 25 эВ, то в результате столкновения атом может сместиться со своего места в кристаллической решетки в междоузлие. При меньших энергиях электрон, упруго рассеиваясь на атоме, не может разорвать связь атома с соседними атомами. При таком смещении атома вызывается смещение соседних атомов и по атомной цепочки распространяется упругая волна, что приводит к возрастанию внутренней энергии твердого тела энергии тепловых колебаний. Если при упругом соударении электрон передает энергию атому, недостаточную для возбуждения упругой волны, то после рассеяния изменяется только направление движения электрона, а энергия остается неизменной.

В результате одного или нескольких последовательных актов упругого рассеяния электроны могут возвратиться в вакуум упругоотраженные электроны.

Они имеют характерное отличие от других электронов тем, что их энергия не отличается от начальной энергии. Количество упругорассеяных электронов и направление их вылета в вакуум определяется их энергией, свойствами и взаимным расположением рассеивающих центров, т.е. расположением атомов в твердом теле. При энергиях электронов, используемых в рентгеновской литографии, эВ вероятность упругих столкновений представляет величину около 4 . С ростом энергии эта вероятность увеличивается медленно, а при меньших энергиях вероятность еще меньше. 4. Неупругое рассеяние В результате неупругих взаимодействий первичных электронов с твердым телом изменяется не только направление их движения, но и энергия, т.е. происходит их торможение.

Потери энергии электроном, обусловленные неупругим рассеянием, вызываются двумя видами потерь радиационными и ионизационными потерями 1Радиационные потери Неупругое взаимодействие электрона с полем ядра атома сопровождается испусканием кванта электромагнитного излучения.

Т.е. некоторая часть энергии электрона, тормозящегося в мишени, может быть выделена в виде рентгеновского или гамма-излучения, которое называется тормозным излучением. При прохождении вблизи неэкранированных ядер атомов быстрые электроны испытывают кулоновское притяжение со стороны ядра. Ускорение, приобретенное под действием этого притяжения, является причиной излучения. Согласно законам классической электродинамики заряд e, движущийся с ускорением, излучает в единицу времени энергию мощность. Предположим, что процесс торможения равномерен, так что - длительность процесса торможения.

Тогда энергия, излучаемая электроном в процессе торможения, равна Ландау Л.Д Лифшиц Е. М. Теория поля - 1948г. Так как движение первичного электрона в твердом теле не является периодическим, то энергетический спектр тормозного излучения имеет непрерывный характер и не зависит от вещества. В соответствии с законом сохранения энергии энергетический спектр простирается до энергии квантов, равной энергии налетающего электрона. Удельные радиационные потери энергии первичных электронов описываются выражением, где - постоянная тонкой структуры - число Авагадро А- атомный вес вещества, кг Z- атомный номер вещества - классический радиус электрона - начальная энергия электрона, эВ. Плотность потока энергии интенсивность тормозного гамма-излучения для малых значений пучка электронов определяется выражением где R расстояние от места торможения до точки наблюдения. Несложно понять основные факторы, определяющие спектральные зависимости тормозного излучения от толщины мишени.

По мере углубления пучка электронов в мишень средняя энергия электронов уменьшается, это ведет к сдвигу коротковолнового края излучения в сторону более длинных волн. Чем глубже в толще мишени расположен слой, с тем более мягким спектром в нем возникает излучение.

Мягкий спектр и поглощается сильнее, в результате выходящее из данного слоя наружу излучение теряет мягкую часть спектра в большей степени.

Спектральное распределение энергии интенсивность тормозного излучения электронов обратно пропорциональна квадрату скорости быстрых электронов. Физически это обусловлено тем, что с ростом скорости электрона уменьшается длительность столкновения, в течении которого электрон испытывает ускорение и излучает. Однако с ростом энергии электронов диапазон частот излучения расширяется. 2 ионизационные потери. Основной механизм торможения электронов связан с возбуждением и ионизацией атомов твердого тела, т.е. с неупругими процессами взаимодействия первичных электронов с электронами атомов твердого тела. Различают два основных типа электронно-электронных взаимодействий коллективные и одиночные.

При коллективных возбуждениях налетающий электрон взаимодействует с системой валентных электронов твердого тела, которую можно рассматривать как плазму свободных электронов в поле однородно распределенного положительного заряда При возбуждении такой плазмы возникают колебания электронной плотности на дискретных квантовых частотах, зависящих от концентрации электронов и свойств материала.

Время жизни кванта энергии плазменных колебаний плазмона не более с. При их распаде выделяется энергия, которая либо уносится электромагнитным излучением, либо передается одному из электронов твердого тела, либо переходит в теплоту. При одиночных взаимодействиях часть энергии первичных электронов передается орбитальным электронам атома вещества, что приводит к возбуждению и ионизации атомов.

Направление движения первичного электрона изменяется. Эти процессы сопровождаются появлением вторичных электронов и квантов электромагнитного излучения характеристическое излучение с поверхности облучаемой мишени. Удельные потери энергии на единице пути первичных нерелятивистских электронов, обусловленные этими процессами, описываются выражением, где N концентрация электронов в среде e заряд электрона -диэлектрическая проницаемость вакуума - скорость электрона - средний ионизационный потенциал атомов вещества, кэВ На интенсивность характеристического излучения, исходящего из мишени, влияет ряд факторов 1 постепенное уменьшение плотности электронного потока в результате упругого рассеяния и отражения электронов 2 изменение сечения ионизации атомов мишени в результате торможения электронов пучка и уменьшения их энергии 3 увеличение пути ds, проходимого в слое толщиной dx, в результате углового рассеяния, так что число ионизаций в слое dx в раз больше, чем в отсутствие углового рассеяния 4 существование конкурентных процессов, так что вероятность, что ионизованный атом излучит квант характеристического излучения, определяется выходом флуоресценции W 1. Кроме того, следует учесть ослабление излучения при выходе из мишени из-за поглощения фактор5 и увеличение его интенсивности из-за флуоресцентного преобразования рентгеновского излучения фактор6, более коротковолнового, чем рассматриваемое характеристическое, в результате фотоэффекта и излучения характеристических квантов.

Вероятность излучения характеристического кванта, соответствующего в различных атомах одному и тому же переходу, возрастает с ростом Z. Таким образом, протекают два процесса, в результате которых электроны теряют свою энергию ионизационные и радиационные потери.

Для оценки вклада радиационных и ионизационных потерь Бете и Гайтлер дают такую зависимость Это соотношение показывает, что сростом энергии электронов и увеличением атомного номера вещества радиационные потери становятся существеннее.

Существует критическая энергия электрона, при которой в данном веществе радиационные и ионизационные потери равны. 5.

Вторичная электронная эмиссия

Очевидно, что оже-переход будет разрешен только в том случае, если эне... Энергия отрицательна и является в данном случае энергией ионизации. Основным механизмом поглощения рентгеновского излучения в твердых тела... Эта энергия освобождается атомом при излучении характеристического ква... Таким образом, резистный слой оказывается экспонированным дополнительн...

Литературный обзор

Литературный обзор 1. В.И. Иванов, Взаимодействие высокоинтенсивных ионизирующих излучений с твердым телом редактор В.О. Вальднер Москва МИРЭА 1994. 2. Труды ИОФАН гл. редактор А.М. Прохоров том 8 Москва Наука 1987. 3. К.А. Валиев, А.В. Раков Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике Москва Радио и Связь 1984.

– Конец работы –

Используемые теги: взаимодействие, зирующ, излучения, твердым, телом0.085

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Взаимодействие ионизирующего излучения с твердым телом

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Основы действия ионизирующих излучений. Методы регистрации ионизирующих излучений.
На сайте allrefs.net читайте: "Основы действия ионизирующих излучений. Методы регистрации ионизирующих излучений."

Взаимодействие коротких акустических импульсов с неоднородностями на поверхности твердого тела
С точки зрения физики взаимодействия излучения с веществом, акустический отклик содержит информацию о переходных процессах, происходящих в области… Прикладная ценность оптоакустического (ОА) метода состоит в том, что оптически… Перечисленные возможности импульсной лазерной оптоакустики позволили активно использовать этот метод в дефектоскопии,…

ЛЕКЦИЯ N 1 • Краткие исторические сведения. Тепловое излучение. Излучение абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа. Итоги лекции N 1
ЛЕКЦИЯ N Краткие исторические сведения Тепловое излучение Излучение абсолютно черного тела Закон Кирхгофа Итоги лекции N... ЛЕКЦИЯ N Проблема излучения абсолютно черного тела Формула Планка Закон... ЛЕКЦИЯ N Проблема фотоэффекта Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта Итоги лекции N...

Квантовая физика, ионизирующие излучения
Виды детекторов ионизирующих излучений Сцинтиляционные детекторы и счетчики Гейгера Особенности принцип работы детекторов технические принципы... Дозиметрическими приборами называют устройства для измерения доз ионизирующих... В зависимости от типа детектора различают ионизационные дозиметры сцинтилляционные люминесцентные...

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ... ДИСПЕРСИЯ СВЕТА Строгий подход к вопросу о механизме взаимодействия...

Измерение ионизирующих излучений
Лучевая болезнь I легкой степени развивается при общей дозе. однократного облучения 1 2 Гр 100 200 Р. Скрытый период ее длительный, достигает 4 нед… Восстановление нарушенных функций организма затягивается на 2 22 мес. Лучевая… Резко нарушен гемопоэз. Выражен геморрагический синдром. Более отчетливо выявляются симптомы, свидетельствующие о…

Химическая сборка поверхности твердых тел путем молекулярного наслаивания
Одним из перспективных среди химических подходов в области получения низкоразмерных систем является метод молекулярного наслаивания (МН). ПРИНЦИПЫ И… Для осуществления указанного процесса необходимо соблюдение принципов,… При этом каждый вновь образующийся монослой новых функциональных групп должен содержать активные атомы или группы…

Методы регистрации ионизирующего излучение
Явление представляет значительную опасность для людей. Открытие радиоактивности было сделано в 1896 году французским физиком Беккерелем при… Впоследствии это свойство было обнаружено у целой группы веществ.Дальнейшие… Наряду с этими видами различают еще нейтронное, протонное и рентгеновское излучения. В настоящее время радиоактивные…

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Федеральное агентство по образованию... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Тамбовский государственный технический университет...

А. ОРИЕНТАЦИОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ИЛИ ДИПОЛЬ-ДИПОЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – электростатическое взаимодействие полярных молекул при сближении (рис.а
На сайте allrefs.net читайте: А. ОРИЕНТАЦИОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ИЛИ ДИПОЛЬ-ДИПОЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – электростатическое взаимодействие полярных молекул при сближении (рис.а.

0.035
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам
  • По дисциплине Физика твердого тела Часть 2 Московский государственный технический... университет им Н Э Баумана... Калужский филиал...
  • Ионизирующие излучения И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до… Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Даже… Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик, полька по происхождению, которая и ввела в обиход…
  • Свойства ионизирующих излучений Наконец, возможно упругое и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами. Длина пробега частицы зависит от ее заряда, массы, начальной… Медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и… Пробеги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, у альфа-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе…
  • Ионизирующие излучения Следствием изучения влияния полупроводников на импульсы электрического тока явилось изобретение вычислительных машин.Итогом проведения учёными… В последние годы большое внимание уделяется изучению характера воздействия… Объект в таком случае подвергается действию импульса проникающей радиации. Такого рода воздействие может явиться…
  • Ионизирующие излучения и защита от них Хуже то, что оно не воспринимается нами органолептически: ни один из органов чувств человека не предупредит его о приближении или сближением с… Человек может находиться в поле смертельно опасного для него излучения и не… Такими опасными элементами, в которых соотношение числа протонов и нейтронов превышает 1…1,6, т.е. Р > 1…1,6. В…