Физические основы ионно-лучевого легирования

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; S_n(E) и S_e(Е) - соответственно ядерная и электронная тормозные способности, выражающие энергетические потери на единице длины пути, прихо­дящиеся на один атом:

Наиболее точные значения ядерной тормозной способности S_n(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 S_n(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 R_p, 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 Ṝ_p. В области энергий, в которой преобладает ядерное торможение (S_n > S_e), и в случае, когда M₁ > М₂, для вычисления среднего проекционного пробега ионов с хорошим приближением применима формула

Наряду со средним проекционным пробегом ионов Ṝ_p такое распределение характеризуется среднеквадратичным отклонением (страгглингом) Δ Ṝ_p 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 = Ṝ_p 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 v_s - скорость распыления, t - время имплантации, можно оценить критическую дозу D_кp, превышение которой приводит к искажению профиля. Поскольку скорость распыления

где S_s - коэффициент распыления; q_i - заряд иона (q_i = 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 D_нас ≈ 6D_кр.

Коэффициент распыления S_s, 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; Е_н - энергия связи атомов мишени, эВ.

Дата добавления: 2015-12-08