1 Лекция 3. Взаимодействие ионов с твердым телом 1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом 2. Пространственная структура треков 3. Удельные (линейные) потери энергии 4. Классификация механизмов взаимодействия ионов 5. Особенности воздействия мощного ионного пучка

2 Виды взаимодействия ионов с твердым телом 1. Рассеяние ионов на атомах 2. Образование поверхностных дислокаций 3. Образование внутренних дислокаций 4. Распыление мишени 5. Ионная имплантация 6. Химическое распыление 7. Перенос заряда 8. Адсорбция ионов 9. Эмиссия электронов 10. Эмиссия поверхностных ионов

3 Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца. Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального направления после столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона. 1. Рассеяние ионов на атомах

4 Импульс иона может быть достаточно велик для того, чтобы сместить поверхностный атом из положения, где он слабо связан с кристаллической структурой образца, в положение, где связь оказывается сильнее. Этот процесс называется атомной дислокацией. 2. Образование поверхностных дислокаций

5 Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в объеме образца (радиационные дефекты). 3. Образование внутренних дислокаций

6 Радиационные дефекты Радиационные дефекты - дефекты кристаллической структуры, образующиеся при их облучении потоками частиц или квантов электромагнитного излучения. Энергия, переданная твёрдому телу (мишени), может привести к разрыву межатомных связей и смещению атомов с образованием первичного радиационного дефекта типа пары Френкеля (вакансия + межузельный атом). Типичные значения пороговой энергии Е пор, необходимой для образования радиационных дефектов, составляют эВ. Образование радиационных дефектов возможно в диэлектриках и полупроводниках. В металлах энергия, переданная ускоренным ионом в фононную подсистему, превращается в тепло, не создавая дефектов структуры. Если энергия, которой обладает первичный смещённый в междоузлие атом, значительно превосходит Е пор, то такой атом в свою очередь может при движении генерировать пары Френкеля вблизи своей траектории и т. д. Результатом каскада соударений является образование дефектных разупорядоченных областей - радиационных кластеров с характерным линейным размером нм. При этом концентрация компонентов пар Френкеля в кластере может достигать см -3. При ионной имплантации (энергия ионов ~100 кэВ) локализация кластеров в тонких слоях, определяемых пробегом ионов (~1 мкм), ведёт к образованию слоев с большей концентрацией дефектов.

7 Генерация радиационных дефектов в твердотельных материалах сопровождается изменением их свойств. 1. Форма и размеры облучённых образцов (радиационное распухание) 2. Изменяются механические свойства твёрдых тел, что проявляется в увеличении предела текучести пластичных материалов, повышении модуля упругости, ускорении ползучести. Накопление дефектов изменяет степень упорядоченности структуры сплавов и ускоряет фазовые переходы. 3. Электропроводность облучённых тел изменяется прежде всего из-за появления заряженных дефектов (радиационная проводимость).

8 Если соударяющиеся с поверхностью образца ионы передают настолько большой импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, происходит физическое распыление. 4. Распыление мишени

9 Понятие коэффициента распыления Количество распыленных частиц, в первом приближении пропорционально числу упавших на мишень ионов. Соответствующий коэффициент пропорциональности называют коэффициентом распыления (реже - выходом распыления, под влиянием английского термина sputtering yield). S = число выбитых атомов / число упавших ионов, где в число выбитых атомов включаются атомы, вылетевшие в виде ионов и в составе кластеров. Если выбиваются атомы нескольких сортов, для каждого из них можно ввести свой коэффициент распыления (называемый парциальным).

10 Применения распыления твердого тела ионным пучком Распыление может вызываться падением на твердое тело любой элементарной частицы - фотона, электрона, протона, нейтрона и проч., а также падением составной частицы - атома, иона, молекулы. Однако для практических целей применяют почти исключительно ионное распыление. Существует три основных области применения распыления: - определение состава поверхности (ВИМС), - очистка и полировка поверхности, - ионная заточка - напыление пленок

11 Выбитые падающим ионом атомы могут покинуть мишень: - в электронейтральном состоянии - в виде положительных или отрицательных ионов, - в составе молекул - в виде кластеров, причем кластер также может нести электрический заряд. Количество вылетевших ионов на 2-4 порядка меньше числа вылетевших атомов; Количество вылетевших кластеров и молекул гораздо меньше числа атомов. Количество многозарядных ионов с зарядом n быстро (по степенному закону) спадает с ростом n. Количество кластеров быстро убывает с ростом числа атомов в кластере.

12 Определение состава поверхности (ВИМС) Происходит путем регистрации распыленных из нее атомных частиц. Проще всего зарегистрировать вылетевшие ионы, но количественный анализ в этом случае затруднителен, так как вероятность ионизации (отношение числа вылетевших ионов какого-либо элемента к общему числу вылетевших нейтральных атомов и ионов этого элемента) чрезвычайно чувствительна к наличию даже микроскопических количеств примесей на поверхности. Гораздо более достоверный количественный анализ возможен путем регистрации атомов, которые для этого приходится превратить в ионы. Можно также регистрировать излучение выбитых возбужденных атомов и определять элементы по характеристическим линиям спектра.

13 Вторичная ионная масс-спектрометрия

14 Очистка поверхности Поверхность, находившаяся в контакте с воздухом, всегда покрыта слоем адсорбированных атомов и молекул. Даже если этот слой очень тонок (например, всего один слой атомов), по меркам технологий, применяемых в производстве приборов твердотельной электроники, поверхность является "грязной". Чтобы поверхность не загрязнялась, работа с ней ведется в вакууме, но чистую поверхность надо сначала получить. Это можно сделать путем обработки поверхности ионным пучком, который снимает верхние слои атомов, содержащие примеси. Полировка поверхности ионным пучком позволяет получить очень гладкие поверхности (уже говорят об атомно-гладких поверхностях), но для этого требуется тщательно подбирать тип ионов, их угол падения, энергию и дозу.

15 Геометрическая схема процесса осаждения тонких плёнок: R – расстояние от анода до центра мишени; α – угол падения пучка на поверхность мишени; d – расстояние между мишенью и подложкой; θ – угол между центром (позицией) подложки и нормалью к мишени Формирование тонкопленочных покрытий

16 Ионы могут проникать в кристаллическую решетку и захватываться там, израсходовав свою энергию. 5. Ионная имплантация (легирование)

17 Ионное легирование Ионное легирование - введение посторонних атомов внутрь твёрдого тела путём бомбардировки его поверхности ионами. Ионное легирование наиболее широко используется при введении примесей в полупроводниковые монокристаллы для создания требуемой примесной электропроводности полупроводника. -позволяет вводить в разные полупроводниковые материалы точно дозированные количества почти любых химических элементов. -позволяет управлять распределением внедрённых ионов по глубине путём изменения энергии ионов, интенсивности и направления ионного пучка относительно кристаллографических осей. - позволяет создать в полупроводниковом кристалле электронно- дырочный переход на малой глубине, что увеличивает, например, предельную частоту транзисторов или эффективность работы фотоприемников.

18 В результате химических реакций ионов с поверхностными атомами на поверхности образуются новые химические соединения, причем самый верхний слой атомов может оказаться в газообразном состоянии и испариться (химическое распыление). Si + F 2 SiF 4 6. Химическое распыление

19

20 Бомбардирующие положительные ионы в результате процесса нейтрализации могут приобретать на поверхности электроны и отражаться от нее в виде нейтральных атомов. 7. Перезарядка ионов

21 Ионы могут оказаться связанными с поверхностью образца (адсорбированными). Напыление, ионно-лучевая эпитаксия 8. Адсорбция ионов

22 При ионной бомбардировке металлических поверхностей в определенных условиях возможно возникновение вторичной электронной эмиссии. 9. Эмиссия электронов

23 Теория пробоя Таунсенда 1. Первый коэффициент Таунсенда Таунсенд ввел коэффициент α, показывающий, сколько актов ионизации производит электрон на пути в 1 см. Впоследствии α был назван первым коэффициентом Таунсенда. Таунсенд сделал три небезупречных предположения: 1. Электрон ионизует только тогда, когда его энергия равна или больше энергии ионизации молекулы. We > Wu. 2. После ионизации электрон полностью теряет свою кинетическую энергию. 3. Электрон набирает энергию для ионизации на пути х и.

24 Поток электронов, порожденный в газовом промежутке одним электроном, получил название электронной лавины Схема электронной лавины Электронная лавина

25 Второй коэффициент Таунсенда Процессы, которые могут обеспечить воспроизведение вторичных электронов: освобождение электронов из катода при бомбардировке его поверхности положительными ионами начальной лавины -кинетическое вырывание, когда кинетическая энергия ионов достигает порядка сотен эВ и более. -потенциальное вырывание электронов медленными ионами за счет образования сильного электрического поля вблизи катода. Механизм потенциального вырывания электронов положительными ионами.

26 Если поверхностные атомы возбуждаются до ионизированных состояний и покидают образец, имеет место вторичная ионная эмиссия. 10. Эмиссия поверхностных ионов

27 Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел 1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом 2. Пространственная структура треков 3. Удельные (линейные) потери энергии 4. Классификация механизмов взаимодействия ионов 5. Особенности воздействия мощного ионного пучка

28 2. Пространственная структура треков Структуры пространственного распределения промежуточных активных частиц. Поток ионов, приблизившись к поверхности твердого тела, вырывает из него электроны и превращается в поток быстрых атомов. Для тяжелых частиц структура треков такая же, как и для быстрых электронов. Однако шпоры здесь расположены очень близко друг к другу. Поэтому они сразу же после своего образования сливаются в сплошную цилиндрическую колонку (колончатая ионизация).

29 Микрофотографии поверхности исходной и модифицированных в плазме кислорода ПЭТФ ТМ Параметры ВЧ-разряда: Давление газа – 22.5 Па Мощность разряда – 500 Вт Мощность разряда – 500 Вт Дмитриев С.Н., Кравец Л.И. и др. // Сообщение ОИЯИ с.

30 Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел 1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом 2. Пространственная структура треков 3. Удельные (линейные) потери энергии 4. Классификация механизмов взаимодействия ионов 5. Особенности воздействия мощного ионного пучка

31 3. Удельные (линейные) потери энергии. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии ΔЕ заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка Δх, к длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой в веществе (пик Брэгга). Рис. 1. Распределение поглощенной дозы в веществе при прохождении монохроматического пучка тяжелых заряженных частиц

32 Зависимость тормозной способности биологической ткани для протонов с начальной энергией 400 Мэв от глубины проникновения протонов в слой вещества. Численные значения над кривой - энергия протона (в МэВ) на различной глубине проникновения. В конце пробега - пик Брэгга.

33 Пробеги ускоренных ионов в веществе Полный (траекторный) пробег R – длина пути, который прошел ион до остановки. Проективный пробег R p – проекция пути (полного пробега) на нормаль к поверхности мишени. Страгглинг полного пробега либо проективного пробега – среднеквадратичное отклонение полного либо проективного пробега, т.е. дисперсия распределения пробегов. Поперечный пробег – расстояние, на которое сместится ион до своей остановки относительно начального направления своего движения. Векторный пробег – длина вектора, который можно провести от точки начала движения иона в веществе к точке его остановки.

34 Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Пробеги протонов в алюминии Энергия : протонов, МэВ Пробег, см 1.3 · · · · · Массовый пробег, мг/см · · · 10 3 Вещество Энергия электрона, МэВ МэВ Алюминий 2· см 0.95 см Эффективный пробег электронов в алюминии в зависимости от их энергии

35 Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел 1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом 2. Пространственная структура треков 3. Удельные (линейные) потери энергии 4. Классификация механизмов взаимодействия ионов 5. Особенности воздействия мощного ионного пучка

36 4. Классификация механизмов взаимодействия ионов При анализе процессов потери энергии различают два основных механизма: 1. Взаимодействие ускоренного иона с электронами мишени Быстрый ион взаимодействует с электронами кристаллической решетки, в результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла. Поскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие столкновения многочисленны, этот процесс, как и в случае потери энергии электронами, можно считать непрерывным. Взаимодействия ионов с электронами мишени вызывают вторичную электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и испускание световых квантов. 2. Взаимодействие иона с ядрами атомов мишени. Взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер первичного иона и атомами мишени. Частота таких столкновений ниже, поэтому их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц. Эти взаимодействия приводят к смещению атомов кристаллической решетки, появлению дефектов и поверхностному распылению.

37 Классификация процессов взаимодействия ионов с веществом При воздействии электронного пучка на образец ионы пучка претерпевают взаимодействия, которые можно разделить на упругие и неупругие. (возбуждение) (релаксация)

38 Потери энергии тяжелой заряженной частицей в веществе происходят при взаимодействии с атомами среды. В общем случае при столкновении иона массы m i с атомом массы М А оказываются возможными различные каналы передачи энергии: 1. Упругое рассеяние (взаимодействие иона с ядром атомов вещества) m i * + М А m i + М А * 2. Неупругое рассеяние (взаимодействие иона с электронами) m i * + М А m i + М А * неупругое рассеяние с возбуждением атома; m i * + М А m i + М А + + e неупругое рассеяние с ионизацией атома; m i + М А ядерные реакции; 3. Прочие каналы (перезарядка, тормозное излучение и т.д.).

39 Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью.

40 Зависимость удельных упругих и неупругих потерь энергии dE/dρ от E 1/2 Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных столкновений при энергиях меньше А кэВ, где А - атомный вес первичного иона. В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных обменом заряда, может возрастать примерно до 10% от полных потерь.

41 Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел 1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом 2. Пространственная структура треков 3. Удельные (линейные) потери энергии 4. Классификация механизмов взаимодействия ионов 5. Особенности воздействия мощного ионного пучка

42 Action mechanism A HPIB Cooling by thermal conduction Melt region Ion range Ablation plasma Stress wave

43 Радиационно-пучковое модифицирование металлических изделий мощными пучками обеспечивает высокие скорости нагрева и последующего охлаждения их приповерхностного слоя, превышающие К/с. Динамика изменения температуры в медной мишени при поглощении МИП. Моделирование выполнено по программе Comsol Multiphysics. Длительность импульса 100 нс, форма импульса – гаусиана, плотность энергии МИП 2 Дж/см 2, расчет выполнен без учета фазовых превращений.

Зависимость максимального давления в области поглощения МИП от плотности мощности

G.E. Remnev 1), V.V. Uglov 2), P. Konarski 3), V.I. Shymanski 2), M.P. Samtsov 2), S.A. Linnik 1), S.K. Pavlov 1), A.I. Pushkarev 1) 1 Institute of High-Technology Physics, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russian Federation 2 Belarusian State University, Minsk, Belarus 3 Tele and Radio Research Institute, Warszawa, Poland 45 Synthesis of nanoscale structures in silicon at a short-pulse implantation of carbon ions

The continuous ion implantation method with the carbon doses more than suggests a subsequent thermal heating for the synthesis of particles and annealing of defects ( R. M. Bayazitov et all Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Ser. Materialy Eelektronnoi Tekhniki, No. 1, 28 (2006)) The short-pulse ion implantation method is accompanied with heating and pressure rise in the surface layer This work is devoted to the synthesis of the carbon structure in the surface layer of Si at the short-pulse ion implantation of carbon The continuous ion implantation method with the carbon doses more than suggests a subsequent thermal heating for the synthesis of particles and annealing of defects ( R. M. Bayazitov et all Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Ser. Materialy Eelektronnoi Tekhniki, No. 1, 28 (2006)) The short-pulse ion implantation method is accompanied with heating and pressure rise in the surface layer This work is devoted to the synthesis of the carbon structure in the surface layer of Si at the short-pulse ion implantation of carbon 46 Short-pulse ion implantation method

C % H % 47 We observe a good agreement between the ratio of ions C/H in the HPIB and implanted into the Si-target С с /С h 6 С+/H+6С+/H+6 Concentrations ratio: C H /C C

48 A fragment of a silicon crystal roentgenogram after the treatment of HPIB

49 The phase composition and structural parameters (based on small-angle X-ray analysis)

50 Transmission electron microscopy (TEM) Sample preparation 1. By electrochemical etching 2. By mechanical removal of the surface layer of the sample with the following analysis of the resulting powder Mechanical removal of the surface layer Si-target Analysis of powder with an electron microscope Illustration of the second method HPIB Particles (SiC+diamond)

SiC (cub) C (Diamond) e f 51 TEM results Graphite of cube modifications (c, d) and silicon carbide of hexagonal (a-d) and cube (e-f) modifications

52 Поверхность кремния со слоем собственного оксида толщиной 330 nm после воздействия МИП с j = 150A/cm2 и n=1. На вставке увеличенное изображение участка поверхности микроструктуры с каплями расплавленного оксида. Волнообразные микроструктуры, формируемые на границе раздела SiO2/Si при воздействии мощного ионного пучка © В.С. Ковивчак, Т.В. Панова и др. Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского