Физические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом. - презентация

1 Физические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом

2 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 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 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 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 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 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 8 Основные процессы, которые имеют место при ионной бомбардировке твердого тела

9 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 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 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 12 Механизмы повреждений поверхности мишени при ионной бомбардировке Линейный каскад Микровзрыв Вязкое течение Всасывание Термический пик

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

14 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 15 Схема дефектообразования и фазовых превращений при имплантации. – атомы мишени;, – имплантируемые атомы.

16 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 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 18 Формируемые структуры в условиях имплантации

19 19

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

21 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 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 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 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.