Механизмы имплантации в металлы и сплавы ионов азота с энергией 1-10 кэВ (стр. 3 из 12)
Рисунок 2.2 – Схема процессов, происходящих при ионной имплантации
За основу при описании модификации поверхностного слоя реального материала возьмем схему процессов, происходящих при ионной имплантации, приведенную на рисунке 2.2. Она наиболее полно учитывает процессы взаимодействия ионов с веществом (рисунок 2.2): внедрение ионов, которое сопровождается образованием радиационных дефектов, дефектообразованием, нагревом поверхности материала и их последующая диффузия. На схеме отражены входные и выходные характеристики данных процессов: полная доза имплантации Ф, распределение примеси по глубине Ci(z), температурное поле Q(z,t), распределение элементарных радиационных дефектов Cv(z), распределение примеси Ci(z,t) и дефектов Cv(z,t), обусловленное радиационно-стимулированной диффузией и поле остаточных концентрационных напряжений s(z).
В разрабатываемой модели не отражен эффект дальнодействия (формирование развитой дислокационной структуры на глубинах, значительно превышающих глубину проникновения примеси при имплантации), обнаруженный рядом автором [2, 21, 44]. Несомненно, что этот эффект оказывает существенное влияние на свойства обработанного материала. Существующие гипотезы [21, 45, 53, 55] не позволяют количественно оценить этот эффект. Исследователи предполагают, что плотность образующейся в результате эффекта дальнодействия дислокационной структуры определяется как характеристиками ионного потока, так и элементным составом материала подложки [3].
Важной задачей является оценка свойств обработанного материала в зависимости от первоначальной концентрации примеси и образованных в процессе имплантации радиационных дефектов. Как показано в [3, 15, 49, 52, 54] остаточные концентрационные напряжения определяют свойства материала после имплантации.
Анализ существующей литературы показал, что для прогнозирования структуры и свойств поверхностного слоя образцов после имплантации при известных параметрах ионного потока (управляемых за счет изменения тока на катоде, ускоряющего напряжения между анодом и экстрактором (рисунок 2.1), давления газа в камере и др.), необходимо знание параметров:
1) дозы имплантации;
2) пробегов ионов при известном ускоряющем напряжении;
3) распределения примеси в материале после имплантации;
4) полей остаточных концентрационных напряжений.
Для их нахождения необходимо решить задачи выбора и усовершенствования методик расчета соответствующих параметров. В связи с этим целью дипломной работы является разработка комплекса моделей, позволяющих на основе данных о технологических параметрах имплантации составить прогноз о свойствах материала подложки после имплантации:
1. Модель для расчета пробегов ионов азота в металлах и сплавах под действием энергии имплантации;
2. Модель распределения ионов азота в поверхностном слое материала подложки после имплантации;
3. Модель распределения дефектов в поверхностном слое материала подложки после имплантации;
4. Модель расчета остаточных концентрационных напряжений в поверхностном слое материала подложки после имплантации.
2.3. Модель для расчета пробегов ионов в материале подложки
Для металлов и сплавов распределение пробегов по глубине оказывается приблизительно гауссовым [3]. Имеются трудности при теоретическом описании в случае больших интегральных доз облучения, когда на форму профиля примеси по глубине существенно сказывается распыление поверхности мишени, а также рассеяние ионов на атомах внедренной примеси [3].
Наиболее точные результаты расчета энергетических потерь получаются при использовании теории ЛШШ, в основе которой лежит утверждение о том, что основными механизмами торможения частиц в обрабатываемом веществе являются неупругие соударения с электронами (электронное торможение) и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение).
В работе Линдхарда и др. [46, 47, 50, 51] получены уравнения, описывающие связь между энергией и пробегами ионов в аморфных мишенях. Многочисленные эксперименты демонстрируют достаточно хорошее согласие с теорией ЛШШ [1, 8, 11, 12, 22, 23, 56, 57].
Модель ЛШШ основана на следующих предположениях:
1) мишень считается аморфной, т. е. из рассмотрения исключаются случаи коррелированных последовательных столкновений;
2) в работе используется потенциал, рассчитанный на основе статистической модели атома Томаса—Ферми, с учётом только электростатического взаимодействия между электронами;
3) энергия, передаваемая атомам мишени в процессе столкновений, много меньше кинетической энергии иона;
4) основными механизмами торможения частиц в обрабатываемом веществе являются неупругие соударения с электронами (электронное торможение) и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение). Оба механизма считаются независимыми в процессах торможения;
5) учитываются флуктуации энергии, обусловленные в процессе торможения только взаимодействием с ядрами;
6) при описании взаимодействия иона с атомами подложки используется классическое приближение бинарных столкновений.
Каждое из этих предположений ограничивает область применимости теории. В частности, предположение 1 исключает случай кристаллических и очень тонких аморфных мишеней. В этой модели не учитывается также оболочечное строение атомов. При близких атомных массах и порядковых номерах сталкивающихся атомов неупругие и упругие процессы становятся коррелированными, поскольку таким столкновениям соответствует значительная ионизация в обеих атомных подсистемах. Ионизация, в свою очередь, изменяет форму потенциала взаимодействия, а, следовательно, и угол рассеяния частиц. Такого рода корреляции могут существенно влиять на форму распределений ионов по пробегам (моменты кривой распределения высоких порядков).
Используемая в теории ЛШШ статистическая модель атома Томаса-Ферми, позволяет достигнуть наилучшего совпадения результатов расчетов с экспериментальными данными.
Рисунок 2.3 — Схема пробега иона в твёрдом теле.
(1) – поток ионов; (2) – путь иона в материале; (3), (4), (5) – атомы в узлах кристаллической решётки материала подложки; (6) и (7) – начальное и конечное положение иона при внедрении в материал подложки.
Ионная имплантация (рисунок 2.3) охватывает два взаимосвязанных процесса: внедрение (легирование) и радиационную обработку (дефектообразование) [31]. При бомбардировке твердых тел тяжелыми заряженными частицами (массой более 1 а.е.м.) возникают эффекты, которые способствуют их торможению или рассеянию.
Эти эффекты классифицируют следующим образом [2, 21, 22]:
· Неупругие соударения со связанными электронами тормозящего вещества. Потеря энергии при таких соударениях обусловлена возбуждением атомов или молекул;
· Неупругие соударения с ядрами. Они вызывают тормозное излучение, возбуждение ядра или ядерные реакции;
· Упругие соударения со связанными электронами.
· Упругие соударения с ядрами или атомами. При этом часть кинетической энергии передается атомам мишени.
· Черенковское излучение. Оно возбуждается частицами, которые движутся в среде со скоростью, больше фазовой скорости света.
При ионной имплантации частицы движутся со скоростью меньше фазовой скорости света, поэтому черенковское излучение отсутствует. При торможении частиц неупругие соударения с ядрами и упругие столкновения с электронами не играют большой роли по сравнению с неупругими соударениями с электронами (электронное торможение) и упругими соударениями с ядрами (ядерное торможение). Поэтому в дальнейшем целесообразно рассматривать лишь эти два механизма. Какой из этих эффектов будет преобладать, зависит от энергии и массы ускоренных частиц и массы и порядкового номера атомов вещества. В диапазоне энергий, важных для ионной имплантации (от 1 кэВ (
Дж) до 1 МэВ ( 
Дж)), следует рассматривать обе составляющие [21, 31].Для расчета торможения первичных ионов в веществе введено понятие сечения электронного и ядерного торможения Se,n[22, 31]:
, (2.1)где
— число атомов в единице объема (ρ – плотность материала подложки, 
; M2 – масса атома мишени, кг); 
— потери кинетической энергии ионом на единицу длины пути в процессе столкновений с атомами или электронами мишени, Дж.Полный пробег частицы определяется из соотношения [21]:
, (2.2)где R- средняя общая длина пути иона в материале подложки, м, при его начальной энергии Е0, Дж.
Наибольший практический интерес представляет проекция пробега иона на направление имплантации Rp, которая определяет наиболее вероятную ее глубину [3]: