Читайте также:
|
|
Лабораторная работа №1
Ионно-лучевое легирование поверхности твердых тел
Цель работы: определить параметры взаимодействия ионов с веществом мишени и распределения внедряемой примеси; получить концентрационный профиль концентрации имплантированных ионов по глубине.
Физические основы ионно-лучевого легирования
Ускоренные до энергий в десятки-сотни килоэлектронвольт ионы при взаимодействии с поверхностью твердого тела (мишени) испытывают многократные упругие и неупругие столкновения с атомами вещества, постепенно теряя в каскаде столкновений энергию (рис. 1). При упругих столкновениях рассматривается в основном ядерный механизм торможения; упругими столкновениями ионов с электронами можно пренебречь. Потери энергии при неупругих столкновениях обусловлены возбуждением и ионизацией атомов и молекул, т.е. связаны в основном с электронами вещества.
Рис. 1. Схема взаимодействия имплантируемого иона с твердым телом:
1 - первичный ион; 2 - вакуум; 3 - твердое тело; 4 - имплантированный ион; 5 - глубина проникновения иона; 6 - распыленный атом или ион
Потери энергии Е на единице длины пути R вдоль траектории движения иона можно выразить следующим образом:
где N - плотность атомов вещества; Sn(E) и Se(Е) - соответственно ядерная и электронная тормозные способности, выражающие энергетические потери на единице длины пути, приходящиеся на один атом:
Наиболее точные значения ядерной тормозной способности Sn(E) получены численными методами Линдхардом, Шарфом и Шиоттом (теория ЛШШ). В теории ЛШШ получено универсальное соотношение для безразмерной относительной ядерной тормозной способности
в котором введены безразмерные приведенные величины энергии ε и пробега ионов ρ:
где М1 и М2 - атомные массы налетающей частицы (иона) и атома мишени соответственно; Ео - начальная энергия иона; z1 и z2 - порядковые атомные номера налетающей частицы (иона) и атома мишени соответственно; a0 - первый боровский радиус (a0= 0,529-10-10 м).
гдеЕ0 - энергия ионов, эВ.
где Sn(E) измеряется в (эВ см2)/атом.
Для ионов с определенной энергией е значение относительной электронной тормозной способности (dt/dp) n вычисляется по формуле
с учетом
При бомбардировке поверхности твердого тела ускоренными ионами имеют место их отражение от поверхности, распыление атомов поверхностного слоя, внедрение ускоренных ионов в приповерхностный слой вещества, сопровождающееся образованием радиационных дефектов, их накоплением и аморфизацией приповерхностного слоя, а также другие процессы. При энергиях ионов, превышающих 5 кэВ, преобладает процесс внедрения ионов, хотя до энергий порядка 50-70 кэВ имеет место и процесс распыления поверхностного слоя.
Внедряемые (имплантируемые) ионы вследствие многократных столкновений с атомами мишени движутся по сложным траекториям (рис. 1, 2). Представляющими наибольший практический интерес характеристиками траектории иона являются: полный пробег R, который равен сумме элементарных линейных пробегов между соударениями иона с атомами мишени; проекционный пробег Rp, или проекция пробега на направление первоначального движения иона. Столкновения ионов с атомами мишени происходят беспорядочно; энергия, теряемая в результате каждого столкновения, различна. Поэтому величины, описывающие распределение пробегов ионов, являются статистическими и имеет место разброс пробегов.
Рис. 2. Схематическое изображение траектории ионов, имплантируемых в твердотельную мишень
Согласно теории ЛШШ, средний полный пробег ионов определяется выражением:
где ρ(ε)- приведенный пробег иона при энергии ε.
Наиболее вероятную глубину залегания имплантированных ионов определяет средний проекционный пробег Ṝp. В области энергий, в которой преобладает ядерное торможение (Sn > Se), и в случае, когда M1 > М2, для вычисления среднего проекционного пробега ионов с хорошим приближением применима формула
Наряду со средним проекционным пробегом ионов Ṝp такое распределение характеризуется среднеквадратичным отклонением (страгглингом) Δ Ṝp проекционного пробега ионов (см. рис. 2). Концентрация внедренной примеси как функция глубины х определяется при этом следующим образом:
где D - интегральная доза облучения на единицу площади мишени, измеренная в ион/см2, которая может быть определена через полный заряд, переносимый на мишень имплантируемыми ионами. Глубине х = Ṝp соответствует максимальная концентрация внедренной примеси
Рис. 3. Параметры гауссового распределения имплантированных атомов по глубине x.
Величину страгглинга ионов для диапазона приведенных энергий 0,1 ≤ ε ≤ 5 можно, в соответствии с экспериментальными данными, определить по формуле:
Заметное искажение гауссовой формы распределения внедренных примесей наблюдается, если за время имплантации распыляется слой мишени, толщина которого равна ΔṜ p. Следовательно, из условия ΔṜ p = v/t, где vs - скорость распыления, t - время имплантации, можно оценить критическую дозу Dкp, превышение которой приводит к искажению профиля. Поскольку скорость распыления
где Ss - коэффициент распыления; qi - заряд иона (qi = пе, где п - кратность заряда иона); j - плотность ионного тока, а доза ионов
то критическая доза
Исследования показывают, что в зависимости от природы ионов, их энергии и способности мишени к распылению величина критической дозы составляет ~1016-1017 ион/см2.
Режим насыщения наступает в том случае, когда толщина слоя, удаляемого распылением, составляет примерно 6ΔṜ p.
Следовательно, доза насыщения Dнас ≈ 6Dкр.
Коэффициент распыления Ss, определяемый как число атомов, выбиваемых из мишени одним бомбардирующим ионом, и измеряемый в атом/ион, может быть вычислен по формуле
где α - множитель, зависящий от отношения масс налетающего иона и атома мишени; Ен - энергия связи атомов мишени, эВ.
Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 147 | Нарушение авторских прав