Физические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом 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. 2 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. 3 Основные понятия Имплантируемые ионы Имплантируемые ионы (1) Мишень (2) – материал в который происходит внедрениеионов Взаимодействие ускоренного иона с твердым телом определяется энергией Е1, массой М1, атомным номером иона Z1, массой М2, атомным номером мишени Пороговая энергия, выше которой начинается внедрение ионов, составляет примерно 3·10 – 18 Дж Имплантируемые ионы делят: Легкие: М1<20, В, N, O Средние: 20<М1<60, Si, P, S, Ar Тяжелые: М1>60, Zn, As, Se, Sb мишень 4 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 101 103 кэВ. Высокоэнергетическая имплантация. К высокоэнергетической ионной имплантации относят обработку ионами, энергия которых превышает 103 кэВ. 5 Основные понятия Доза ионов (флюенс) Ф [ион/см2] – число ионов , прошедших через единицу поверхности образца за все время облучения. Плотность ионного тока j [мкА/см2] Длительность облучения t [c] Дозу можно выражать Q=jt [мкКл/см2] Ф=6,25 1012· Q Коэффициент отражения RN – отношение количества N всех рассеянных назад частиц независимо от их энергии, угла выхода и зарядового состояния к числу частиц N0 падающих на мишень RN=N/N0 Коэффициент отражения энергии RЕ – доля энергии, уносимой отраженными частицами , по отношению к энергии падающих частиц RE=∑EN/ E0 Средняя относительная энергия отраженных частиц <E>=RE/RN 6 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; 7 Основные процессы, которые имеют место при ионной бомбардировке твердого тела 8 Торможение и рассеивание ионов Основные механизмы торможения ионов в твердых телах: Налетающий на мишень ион Атомы Мишень •неупругие столкновения (электронные потери энергии) – энергия ионов передается электронам; Электроны •упругие (ядерные) столкновения – энергия передается атомами мишени Упругие столкновения •торможение за счет генерации фотонов; •ядерные реакции. Ион Схема процесса потерь энергии внедряющимся при ионной имплантации ускоренным ионом 9 Торможение и рассеивание ионов Вклад того или иного механизма торможения определяется соотношением между скоростями движения ионов v1 и орбитальными скоростями электронов на внутренних vie и внешних vee оболочках атомов твердого тела и иона. При высоких скоростях (v1>>vie) легкий ион теряет все свои электроны и в твердом теле движется практически голое ядро с зарядом Ze1. В этом случае ион теряет энергию в основном вследствие столкновения с электронами. При уменьшении скорости иона (v1<vie) начинают протекать процессы захвата электронов, и далее ион движется с некоторым эффективным зарядом Z1эф<Z1. При скоростях v1<vee определяющим механизмом энергетических потерь становится упругое взаимодействие с атомами, в котором ион, ставший нейтральным атомом, участвует как единое целое. 10 Схематический путь на плоскости отдельного иона в мишени R ΔR┴ Ион RP Поверхность мишени Расстояние до поверхости мишени R – длина пути иона в мишени вдоль траектории до его полной остановки, RP – проективный пробег иона; ΔR┴ – боковое рассеяние (поперечный страгглинг) 11 Механизмы повреждений поверхности мишени при ионной бомбардировке Вязкое течение Линейный каскад Микровзрыв Всасывание Термический пик 12 Схемы столкновений, приводящих к распылению при ионной бомбардировке Распыление рикошетом Распыление первично выбитым атомом отдачи Распыление атомов в результате каскада столкновений 13 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. 14 Схема дефектообразования и фазовых превращений при имплантации. – атомы мишени; , – имплантируемые атомы. 15 Последствие распыления и имплантации. S1 напыленная поверхность; S0 исходная поверхность; S2 распыленная поверхность. Возможно два процесса 1) если плотность напыляемых атомов больше чем распыляемых через определенный промежуток времени, то поверхность будет S1 2) 2) если наоборот – то поверхность будет S2 16 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 = 17 проективный пробег. Формируемые структуры в условиях имплантации 18 19 Схематическое изображение фазовых состояний в металлических материалах, подвергнутых ионно-пучковой обработке, в функции концентрации легирующей примеси и температуры мишени при ионной имплантации 20 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. 21 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. 1970 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. 22 «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 м2. 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 м2. 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. 23 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 НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете потоков металлической плазмы и импульснопериодических ионных пучков; •осаждение покрытий с использованием потоков металлической плазмы. 24