<<
>>

10.2. Ионно-лучевое перемешивание

  Одним из новых технологических методов изменения структуры исходного материала, находящим все большее применение, является метод ионно-лучевого перемешивания (ИЛП), использующий энергетические тяжелые ионы с целью инициирования взаимодействий в многокомпонентных тонкопленочных образцах, либо в ионно-легированных структурах.
Этот технологический метод приводит к самым разнообразным изменениям в веществе, которых невозможно достичь с помощью обычных равновесных технологических процессов.

Процессы, происходящие при ИЛП можно описать следующим образом.

При бомбардировке тонкой пленки, нанесенной на подложку, пучком энергетических ионов имеет место большое количество разнообразных эффектов, возникающих в процессе столкновений и взаимодействия ионов с атомами твердого тела. Торможение каждого иона происходит в результате целого каскада столкновений его с атомами мишени, происходящих вдоль его траектории. Какую-то часть энергии ион отдает в неупругих ионизирующих столкновениях, а остальную часть в упругих столкновениях, приводящих к смещению атомов мишени из узлов кристаллической решетки. Энергию ионов стараются выбирать таким образом, чтобы максимум энерговыделения приходился на границу раздела подложки с областью, которую требуется подвергнуть операции перемешивания. Возникающие вдоль траектории иона каскады повреждений приводят к смещению огромного количества атомов мишени и образованию множества дефектов.

Энергия, выделенная в процессе образования дефектов в каждом отдельном каскаде, передается во многих случаях окружающим атомам мишени за время порядка 10_13 с, поэтому каждый микрообъем каскада претерпевает как бы быструю

закалку. Различные эффекты, такие как генерация дефектов и взаимодействие их между собой, имплантация частиц отдачи, каскадное перемешивание, радиационно стимулированная и ускоренная диффузия, активация атомов на границе раздела и различные химико-металлургические эффекты вызывают перемешивание атомов и в сочетании с эффектами быстрой закалки приводят к созданию новой гомогенной фазы.

Степень перемешивания, вид и структура образующегося вещества и другие особенности зависят от относительных вкладов участвующих в перемешивании механизмов.

Основным механизмом выделения энергии является взаимодействие ионов с электронными оболочками атомов мишени, а роль этого механизма в образовании повреждений и смещении атомов обычно невелика. Однако существуют диэлектрики, в которых выделение энергии в электронных процессах создает значительные структурные повреждения. Электронный механизм выделения энергии может также влиять на взаимодействие дефектов в диэлектриках и полупроводниках, поскольку поведение дефектов и примесных центров зависит от их зарядового состояния.

При проникновении тяжелого иона в металл или полупроводник сразу же после пересечения границы раздела твердое тело - вакуум ион начинает терять энергию в неупругих столкновениях. В каждом таком столкновении с атомом мишени ион с массой М1 и энергией Е1 сообщает неподвижному атому мишени массой М2 некоторый импульс, а когда сообщенная кинетическая энергия Т превышает пороговую энергию смещения Ед, первичный атом решетки выбивается из своего местоположения и становится стабильным дефектом. Максимальное значение Т определяется выражением:

Энергия, переданная ионом атому мишени может в зависимости от столкновения меняться от нескольких электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт, при Т

выбитые атомы, сталкиваясь с решеткой, сами создают смещения посредством вторичных соударений. Энергия и угловые распределения атомов отдачи критическим образом зависят от от поперечного сечения рассеяния и межатомного потенциала, как и ЕД зависит от материала и кристаллографического направления. С уменьшением энергии атомов отдачи вероятность создания ими новых частиц отдачи возрастает и, следовательно, возникает большое число смещенных атомов.

Образующиеся дефекты могут быть простыми дефектами типа междоузельных атомов и вакансий. Смещенный атом может возвратиться на свою вакансию, если его энергия Т - ЕД меньше, чем пороговая энергия захвата, или переместится на много атомных расстояний, создавая другие смещенные атомы и осуществляя бо-

лее сложные столкновения. Часто дефекты после образования группируются и образуют более сложные дефектные комплексы.

Важной особенностью при описании каскада столкновений является характер распределения энергии повреждения. Каскады, в которых движется только незначительная часть атомов, называют линейными, энергия повреждения в них распределена между большим числом атомов и возникают локально условия, приближающиеся к равновесию. В высокоэнергетических каскадах (называемых тепловыми пиками) процесс рассеяния энергии с высокой скоростью происходит для всех атомов каскада и в его объеме осуществляются коллективные атомные взаимодействия.

Рассмотрение различных процессов, влияющих на образование дефектов, показывает, что число смещений, вызываемых в секунду ионным потоком Ф в расчете на один атом мишени (ЧС/А), связано с энергией повреждения Sn(x) [эВ/мкм] посредством выражения, называемого соотношением Кинчина - Пиза:

ЧС/А = (0,8/2Ед) Sn(x)^/N)

где Ед = 13 эВ для Si; N - плотность атомов мишени. Критическая доза (ФС) ионов, приводящая к аморфизации кремния, зависит от нескольких имплантационных параметров. При комнатной температуре критическая доза имплантации для ионов As с энергией 100 кэВ составляет ~ 10 см- . При этом анализ глубинных профилей показывает, что имплантация As в кремнии вызывает аморфизацию монокристалла на глубину 0,15 мкм, что подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями. Они же, правда показывают, что между аморфным слоем и монокристаллической подложкой возникает полоса с высокой плотностью дефектов толщиной 0,02 мкм и сам аморфный слой имеет большие размеры, чем предсказывает теория.

Аморфизация слоя также вызывается процессами перемешивания, возникающими под действием падающих ионов.

При этом различают перемешивание первичными атомами отдачи (выбивание примесей ионами), что соответствует изменению положений примесных атомов вследствие прямых взаимодействий с бомбардирующими ионами, и перемешивание вторичными атомами отдачи (каскадное перемешивание), при котором бомбардирующие ионы создают большое число вторичных матричных ионов отдачи, которые затем соударяются с примесными атомами и смещают их. Между этими двумя процессами существуют тонкие различия, зависящие от расположения мишени по отношению к пучку ионов и от многих других факторов. При теоретическом анализе следует различать высокоэнергетические (энергии образующихся в упругих столкновениях атомов отдачи лежат в килоэлектрон-вольтном и более высоком интервале энергий) и низкоэнергетические каскады (атомы отдачи электрон-вольтных энергий) а также случаи изотропного и анизотропного каскадов столкновений. Кроме того, если в случае бомбардировки "легких" мишеней тяжелыми ионами перемешивание осуществляется за счет смещения атомов матрицы, то при бомбардировке "тяжелых" мишеней легкими ионами основную роль играют процессы смещения примесей.

Внимание к методу ИЛП определяется главным образом возможностью образования метастабильных материалов с новыми свойствами. Энергия, выделенная в каскадах столкновений, преобразуется в энергию движущихся атомов за время ~ 13 с. Вокруг трека первично выбитого атома может образовываться нарушенная область, состоящая из ядра вакансий (обедненная зона диаметром порядка 10 А, в которой отсутствует 20 - 30 % атомов), окруженного оболочкой из междоузельных атомов. Наличие подобных зон должно приводить к упрочнению материала, т.к. они должны препятствовать движению дислокаций. Столь быстрое выделение энергии приводит к эффекту быстрой закалки, что приводит к появлению у материала новых свойств.

Сложность истолкования большинства экспериментов по ИЛП связана с тем, что они включают ряд наименее понятных аспектов. Мишень в таких экспериментах обычно представляет собой комбинацию разнородных материалов, имеющих вид тонкопленочных соединений, а перемешивание осуществляется под воздействием тяжелых ионов и при комнатной температуре.

Образующаяся смесь подвергается быстрой закалке, редко является равновесным сплавам, обычно неоднородна по составу и содержит обилие сложных дефектов. Это может приводить к специфическим взаимодействиям в материале, но осложняет получение сведений об основных проявляющихся механизмах.

Бомбардировка энергетическими ионами может резко ускорить диффузию, поскольку в процессе бомбардировки возникает огромное количество точечных дефектов, ускоряющих обычную термически активированную диффузию, и создаются дефекты нового типа, приводящие к дополнительным диффузионным механизмам. Эти явления называются радиационно-стимулированной или дефектноускоренной диффузией. Ионная бомбардировка приводит не только к образованию большого числа дефектов, ускоряющих диффузию по вакансиям и междоузлиям, но и порождает потоки атомов растворенного вещества и точечных дефектов, выступающих инициаторами процесса перемешивания. Однако надо отметить, что при температурах менее 200° С наблюдаемое экспериментально перемешивание было на порядок больше, чем следовало из теоретических представлений.

<< | >>
Источник: В. И. Марголин. Основы нанотехнологии. Учебное пособие. 2004

Еще по теме 10.2. Ионно-лучевое перемешивание:

  1. 4.1. Перемешивание шлаковой ванны4.1.1. Роль перемешивания шлаковой ванны.
  2. Мощность перемешивания в характерных зонах шлаковой ванны.
  3. 2.4. Влияние ионов-соактиваторов на люминесценцию Eu(III) и Tb(III) в разнометальных комплексах [LnxMi_x(N03)3(Phen)2]. Механизм колюминесценции
  4. 3.1. Фотолиз Р-дикетонатов европия в органических растворах. Влияние природы лиганда, иона-комплексообразователя и кислорода на эффективность фотодеструкции комплексов
  5. 5.5. Влияние иона-комплексообразователя и природы Р-дикетона на формирование термолюминесцентных свойств координационных соединений
  6. Свободная диффузия воды и ионов через покрытия
  7. Ш. Иония и Персия
  8. ПРИНЦИПБАЛАНСА СИЛ Стабильность и силав международных отношениях Ион Эрик Фоссум
  9. Метод ионного обмена
  10. Кривая лучевых скоростей
  11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ
  12. Оборудование для лучевой сварки
  13. Тонкопленочные технологии модификации поверхности
  14. Взаимодействия ускоренных заряженных частиц с резистивными материалами
  15. Глава V. Раздел 5. Электрохимические методы в нанотехнологии.
  16. Глава VIII. Раздел 5. Ионная масс-спектрометрия
  17. Глава 10. Применение ионных пучков для получения тонких пленок и модификации материала в нанотехнологии.
  18. 10.2. Ионно-лучевое перемешивание
  19. Перспективы применения алмазоида