Физические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом

2 Ионная имплантация – это процесс, в котором легирующий элемент может быть внедрен в приповерхностную область твердого тела – мишени, помещенной в вакуумную камеру, посредством пучка высокоскоростных ионов Обрабатывающие ионы преодолевают поверхностный энергетический барьер, внедряются в поверхностный слой, вызывая в нем повышение концентрации атомов обрабатывающего вещества и распределяются приблизительно по гауссовому закону по глубине мишени.

3 Достоинства ионной имплантации Отсутствие зависимости предельной концентрации вводимой примеси от предела растворимости в материале подложки, вследствие чего дает возможность образования в поверхностных слоях таких сплавов, которые невозможны в обычных условиях; Позволяет контролировать профиль легирующей примеси изменением энергии, тока и положения ионного пучка, создание сложных профилей распределения концентрации примеси по глубине путем программного управления режимами; Низкая температура подложки в процессе имплантации; Позволяет формировать постепенный переход от модифицированного слоя в объем материала; Возможность модификации свойств функциональных и технологических приборных слоев с целью направленного изменения физических свойств за счет вариации характеристик внедрения и дефектообразования; Высокая точность и воспроизводимость параметров имплантации (доза, профиль) по площади обрабатываемой пластины от процесса к процессу.

4 Основные понятия Имплантируемые ионы (1) Мишень (2) – материал в который происходит внедрениеионов Взаимодействие ускоренного иона с твердым телом определяется энергией Е 1, массой М 1, атомным номером иона Z 1, массой М2, атомным номером мишени Пороговая энергия, выше которой начинается внедрение ионов, составляет примерно 3·10 – 18 Дж Имплантируемые ионы делят: Легкие: М1

5 интервал энергий ускоренных ионов разделяют на три диапазона Низкоэнергетическая имплантация. На практике к низкоэнергетическим относят ионные имплантеры, ускоряющие частицы до энергии 1 10 кэВ. В этом диапазоне энергий доминирующими оказываются ядерные столкновения иона с атомами твердого тела. Среднеэнергетическая имплантация. Наиболее перспективной в машиностроении сегодня представляется имплантация ионов средних энергий. К ионам средней энергии относят частицы с энергией кэВ. Высокоэнергетическая имплантация. К высокоэнергетической ионной имплантации относят обработку ионами, энергия которых превышает 103 кэВ.

6 Основные понятия Доза ионов (флюенс) Ф [ион/см 2 ] – число ионов, прошедших через единицу поверхности образца за все время облучения. Плотность ионного тока j [мкА/см 2 ] Длительность облучения t [c] Дозу можно выражать Q=jt [мкКл/см 2 ] Ф=6, · Q Коэффициент отражения R N – отношение количества N всех рассеянных назад частиц независимо от их энергии, угла выхода и зарядового состояния к числу частиц N 0 падающих на мишень R N =N/N 0 Коэффициент отражения энергии R Е – доля энергии, уносимой отраженными частицами, по отношению к энергии падающих частиц R E =E N / E 0 Средняя относительная энергия отраженных частиц =R E /R N

7 Физические процессы взаимодействия ускоренных ионов с твердым телом Основные процессы, происходящие при облучении материалов ионами, следующие: физическое распыление материалов; внедрение и захват бомбардирующих ионов; отражение ионов от поверхности; десорбция газов и других загрязнений с поверхности; неупругие соударения со связанными электронами и с ядрами атомов мишени; образование первичных радиационных дефектов и каскада смещенных атомов;

8 Основные процессы, которые имеют место при ионной бомбардировке твердого тела

9 Схема процесса потерь энергии внедряющимся при ионной имплантации ускоренным ионом Основные механизмы торможения ионов в твердых телах: упругие (ядерные) столкновения – энергия передается атомами мишени неупругие столкновения (электронные потери энергии) – энергия ионов передается электронам; торможение за счет генерации фотонов; ядерные реакции. Ион Упругие столкновения Электроны Атомы Мишень Налетающий на мишень ион Торможение и рассеивание ионов

10 Вклад того или иного механизма торможения определяется соотношением между скоростями движения ионов v 1 и орбитальными скоростями электронов на внутренних v ie и внешних v ee оболочках атомов твердого тела и иона. При высоких скоростях (v 1 >>v ie ) легкий ион теряет все свои электроны и в твердом теле движется практически голое ядро с зарядом Ze 1. В этом случае ион теряет энергию в основном вследствие столкновения с электронами. При уменьшении скорости иона (v 1

11 Схематический путь на плоскости отдельного иона в мишени R – длина пути иона в мишени вдоль траектории до его полной остановки, R P – проективный пробег иона; ΔR – боковое рассеяние (поперечный страгглинг) ΔR

12 Механизмы повреждений поверхности мишени при ионной бомбардировке Линейный каскад Микровзрыв Вязкое течение Всасывание Термический пик

13 Схемы столкновений, приводящих к распылению при ионной бомбардировке Распыление рикошетом Распыление первично выбитым атомом отдачи Распыление атомов в результате каскада столкновений

14 Схема баллистических процессов, имеющих место при внедрении ускоренного иона в мишень а) линейный каскад; б) распыление и перемещение группы атомов в режиме каскада; в) каскадный дефект (каскад атомных столкновений), часть атомов выбиты в междоузлиях.

15 Схема дефектообразования и фазовых превращений при имплантации. – атомы мишени;, – имплантируемые атомы.

16 Последствие распыления и имплантации. S 1 напыленная поверхность; S 0 исходная поверхность; S 2 распыленная поверхность. Возможно два процесса 1) 1)если плотность напыляемых атомов больше чем распыляемых через определенный промежуток времени, то поверхность будет S1 2) 2)2) если наоборот – то поверхность будет S2

17 Схема перемещения поверхности мишени по отношению к исходной поверхности (а, б, в), схема распыления областей при имплантации (г), изменение формы концентрационного профиля с увеличением дозы падающих ионов при наличии эффекта распыления (д). а – низкодозовая имплантация; б – среднедозовая имплантация; в – высокодозовая имплантация; 1 – зона распыления; 2 – зона легирования; 3 – зона дальнодействия, линиями указаны дислокации; Rp = проективный пробег.

18 Формируемые структуры в условиях имплантации

19

20 Схематическое изображение фазовых состояний в металлических материалах, подвергнутых ионно-пучковой обработке, в функции концентрации легирующей примеси и температуры мишени при ионной имплантации

21 Три основные группы источников для ионной имплантации, различных по технологическому применению установки для высокоэнергетической ионной имплантации установки среднеэнергетической имплантации малыми и средними дозами установки средних и низких энергий для имплантации большими дозами с интенсивными ионными пучками. Установки первых двух типов применяются, в основном, в технологических процессах в микроэлектронной промышленности, тогда как установки третьего типа – основа так называемой имплантационной металлургии.

22 Первые промышленные имплантеры, разработанные фирмами High Voltage Engineering и Accelerators Inc. Implanters (США), Danfysic (Дания) и AERE Harwell (Великобритания), Hitachi (Япония) появились в конце 60-х годов г. появилось только два типа ионно-лучевых установок «ИЛУ», разработанные под руководством В. М. Гусева и «Везувий-1» – под руководством В. А. Симонова. Наиболее перспективными ионными источниками для обработки металлических конструкционных материалов, где требуются высокие дозы облучения при средних энергиях, являются источники на основе вакуумной дуги.

23 «Диана-2» работает при ускоряющем напряжении 10– 100 кВ, обеспечивая частоту следования импульсов до 50 с –1, длительность импульсов 400 мкс и площадь поперечного сечения ионного пучка 0,03 м 2. Ионный источник «Титан» позволяет генерировать одновременно ионы газов и металлов при следующих действующих параметрах: ускоряющее напряжение – от 20 до 100 кВ, частота следования импульсов – 50 с –1, длительность импульса – 400 мкс, площадь поперечного сечения ионного пучка – 0,03 м 2. Разработанная серия вакумно-дуговых ионных источников MEVVA позволяет проводить одноэлементную и многокомпонентную ионную имплантацию, наносить тонкие покрытия в едином цикле с ионной имплантацией. Разработано пять вариантов ионного источника «Радуга». Источники позволяют формировать одноэлементные и многокомпонентные ионные пучки из одноэлементных и композиционных катодов. Так, источники «Радуга-2» и «Радуга-4» имеют соответственно 2 и 4 катода. Источники могут быть применены для высококонцентрационной ионной имплантации или нанесения покрытия из плазмы в сочетании с имплантацией.

24 НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете Вакуумно-дуговой ионно-плазменный источник «Радуга-5» Ускорители, оснащенные источниками типа «Радуга», позволяют, осуществлять следующие технологические режимы: импулсьно-периодическую ионную имплантацию; импулсьно-периодическую многоэлементную ионную имплантацию; высококонцентрационную ионную имплантацию; высокоинтенсивная ионная имплантация осаждение покрытий с использованием потоков металлической плазмы и импульсно- периодических ионных пучков; осаждение покрытий с использованием потоков металлической плазмы.