荷電粒子束輻照作用下若干光學器件及半導體材料的微觀結構和性能.pdf

1、本文對空間EUV望遠鏡中光學器件及半導體材料進行了荷電粒子束輻照效應研究，利用光學顯微鏡(OM)，掃描電子顯微鏡(SEM)，原子力顯微鏡(AFM)，透射電子顯微鏡(TEM)，極紫外反射率計(EXRR)和光致發(fā)光光譜儀(PL)等多種表征及測試手段重點考察了輻照效應對材料微觀結構與物理性能的影響。
　　在不同本底真空度下(6×105 Torr,3×10-5 Torr, and3×10-6 Torr)制備“嫦娥三號”衛(wèi)星著陸器所攜帶的E

2、UV相機中Mo/Si多層膜反射鏡，并對多層膜的微觀結構和物理性能進行檢測和分析。小角XRD結果顯示，本底真空度越高，制備出的多層膜周期性越好;EXRR測量結果顯示:多層膜的反射率隨著本底真空度的升高，從1.93％升高到16.63％。這主要是因為鍍膜機的本底真空度不夠高會引入雜質氣體，O2、N2等雜質氣體會進入到膜層內部，TEM照片顯示樣品出現(xiàn)斷開、彎曲等形貌，同時會導致Mo層和Si層相互擴散嚴重，增加了膜層界面粗糙度，從而導致反射率降低

3、。Mo/Si多層膜高反射率的高低主要取決于Mo在(110)晶面上擇優(yōu)取向以及較低的界面粗糙度。過渡層是由于Mo層和Si層相互擴散引起的，Mo-on-Si層總是比Si-on-Mo層厚。
　　在空間環(huán)境模擬裝置中對Mo/Si多層膜反射鏡進行能量為100 keV，劑量為6×1011/cm2和6×1013/cm2的質子輻照實驗;利用蒙特-卡洛隨機統(tǒng)計法模擬100 keV質子及其輻照誘發(fā)的缺陷在多層膜內的濃度分布;系統(tǒng)地分析了輻照誘發(fā)的各種

4、微觀結構缺陷的類型、尺寸、密度、分布等特征及演化規(guī)律;分析微觀缺陷對Mo/Si多層膜界面的元素擴散行為以及界面過渡層結構的影響規(guī)律，總結和建立微觀結構與材料物理性能之間的關系。模擬輻照結果顯示，質子輻照的過程中的能量損失貫穿整個樣品，但是主要集中在Mo/Si多層膜的末段，入射質子在軌跡末端將其絕大部分能量傳遞給靶材原子（Mo原子和Si原子），造成大量離位原子和空位，產生晶格缺陷，在軌跡末端附近產生最大損傷，而Mo層中的缺陷明顯多于Si層

5、;輻照后EXRR測試結果表明:質子輻照導致Mo/Si多層膜反射鏡光學性能退化，反射率降低，中心波長紅移;質子輻照對Mo/Si多層膜微觀結構的影響是原子級的，通過輻照加劇了原子間的擴散導致納米厚度的膜層分布不均勻，在過渡層中形成了MoSi2(101)和Mo5Si3(310)的織構，使得本身就存在的過渡層微結構發(fā)生巨大變化，最終導致光學性能的嚴重下降。
　　采用強流脈沖電子束(HCPEB)裝置輻照單晶Si和單晶Ge。HCPEB輻照單晶

6、Si后表面形成大量彌散的火山坑狀的熔坑形貌，熔坑的數(shù)量密度隨輻照次數(shù)的增加而減小;OM觀察結果顯示HCPEB轟擊處理還能在單晶硅表面誘發(fā)強烈的塑性變形，產生幅值極大及高應變速率的準靜態(tài)熱應力，形成整齊排布的微裂紋，其中[100]取向的形成矩形網絡，[111]取向的形成正三角形網絡;TEM顯示HCPEB輻照在Si表面誘發(fā)了豐富的位錯組態(tài)，包括螺型位錯，位錯偶極子、位錯纏結，和位錯網絡，這些都位錯的分解和拓展有關。除了各種位錯之外，還觀察到

7、層錯、弗蘭克位錯圈、偏位錯圈和SFT結構，這些缺陷不僅包括過飽和空位和由空位凝聚而成的各種空位型結構缺陷，也包括豐富的位錯、堆垛層錯等線、面晶體缺陷;而過飽和空位（或許包括空位簇缺陷）在HCPEB輻照造成的溫度梯度作用下會沿著位錯、堆垛層錯等擇優(yōu)地向表面快速遷移，在Si表面局部區(qū)域形成密集的多孔結構，而孔的密度和尺寸會隨著輻照次數(shù)的增加而增大;TEM觀察結果顯示，HCPEB輻照還在Si表面產生改性效果，由于脈沖電子在Si表面的快速加熱和

8、冷卻過程，使得Si晶核來不及長大，形成了Si納米晶，PL光譜顯示輻照后Si樣品具有還410 nm(3.01eV)左右的藍光發(fā)射現(xiàn)象，其光致發(fā)光機理可以由鑲嵌在輕微氧化或氮化的非晶結構中的Si納米晶的量子限制效應來解釋; AFM觀察顯示，HCPEB輻照在Si表面形成了網格型和六邊形自組裝納米陣列，與TEM中的位錯網絡保持非常一致的幾何形狀，輻照誘發(fā)的位錯等缺陷結構對沉積過程中的Si顆粒（原子）更具吸附力，即位錯等缺陷結構為自組裝納米網格結

9、構的形成提供了驅動力。
　　HCPEB輻照單晶Ge在表面誘發(fā)了大量熔坑，局部裂紋，其形貌特征、演化規(guī)律與單晶Si的實驗結果大致相同;TEM觀察結果顯示，Ge中的微觀缺陷以空位簇缺陷以及位錯圈為主，Ge納米晶的尺寸在4nm左右，比Si納米晶的尺寸稍大，而且尺寸分布較均勻，其原因是Ge的熔點比Si的熔點低，相同輻照參數(shù)下Ge納米晶有更長的生長時間;PL結果顯示輻照后單晶Ge樣品仍然具有藍光發(fā)射特性，發(fā)光機理為鑲嵌在輕微氧化或氮化的非晶

10、結構中的Ge納米晶的量子限制效應。HCPEB輻照在Ge表面也形成了自組裝納米結構，截面TEM顯示量子點下方存在250 nm深的缺陷通道，證實了Si表面的自組裝納米陣列形成機理，因此本文中HCPEB輻照誘發(fā)自組裝納米結構機制為:輻照時表面被迅速加熱，熔化、蒸發(fā)、氣化并形成等離子體，而Si，Ge是半導體材料，導電能力弱，電子輻照后表面滯留了大量的負電荷。同時，電子輻照在材料中同時引入點缺陷、位錯、空位簇缺陷等具有電荷性的大量缺陷，使得表面電