Проникновение атомов Be, Ni, Mo в Be, Al, Zr, Si и алмазные подложки при облучении системы «тонкая плёнка-подложка» полиэнергетическим ионным пучком Ar+ со средней энергией 9,4 кэВ

Размещено на http://www.allbest.ru

Проникновение атомов Be, Ni, Mo В Be, Al, Zr, Si и алмазные подложки при облучении системы «тонкая плёнка-подложка» полиэнергетическим ионным пучком Ar⁺ со средней энергией 9,4 кэВ

Б.А. Калин, А.А. Алтухов, В.П. Гладков, И.В. Олейников, В.А. Петров, Н.В. Волков

Московский Инженерно Физический Институт (Государственный Университет),

115409, Москва, Каширское ш., 31, (095)323-9210, (095)324-3165,

Е-mail: volkov@vlk.mephi.ru

Аннотация

Проникновение чужеродных атомов (Be, Ni) в Be, Al, Zr поликристаллов подложки и монокристаллов алмаза была исследована посредством бомбардировки ионами Ar⁺ образцов с термически испаряемой плёнкой 30-50 нм. Напыление проводилось с помощью широкого энергетического спектра пучка ионов Ar⁺ со средней энергией 9,4 кэВ до дозы Ф= ll0¹⁶ - 10¹⁹ ион/см². Распределение имплантированных атомов в цели измерялось путём спектрометрии Резерфордовского обратного рассеяния (RBS) ионов H⁺ и He⁺ с начальной энергией 1,6 МэВ, а также вторичной ионной масс-спектрометрией (SIMS).

Во время бомбардировки, глубина проникновения атомов Ar возрастает с увеличением дозы линейно. Эта глубина более чем в 3 ... 20 раз глубже, чем прогнозируемый диапазон бомбардирующих ионов и атомов отдачи. Это процесс “ионного перемешивания”.

Анализ показывает, что экспериментальные данные глубины проникновения инородных атомов аналогичны данным, рассчитанным для миграции атома через междоузлия в области внутренних (боковых) сжимающих напряжений, созданных в приповерхностном слое подложки в результате имплантации. В этих экспериментальных условиях соотношение r_i/r_m (r_i - радиус атома примеси, r_m - радиус атома подложки) может сыграть главную определяющую роль. Показано также, что максимальная глубина проникновения атомов плёнки в подложках может быть определена по «изотропной модели» под облучением полиэнергетического ионного пучка системы «плёнка-подложка».

1. Введение

Современные технологии легирования материалов пучками ионов в основном связаны с использованием непрерывного потока иона с узким спектром энергии и сходство их формы с распределением Гаусса [1-4]. Соотношение распределения ширины на половине высоты (E) к средней величине (E) порядка 1...5%. Легирование материалов ионами с широким спектром энергии ( E / E = 30 .. 50%) имеет определенный научный и практический интерес, потому что в этом случае распределение внедренных атомов по глубине в цели может быть изменено [5]. Однако в настоящее время, данных по изменению приповерхностных слоев в конструкционных материалах при облучении ионными потоками широкого спектра энергии очень мало. Мы пытаемся исследовать изменения в распределении примесей (Be, Ni) по глубине - С(х) - для некоторых материалов (Be,Al,Zr - поликристалл подложки, Si (110) и природный алмаз - монокристалл подложки) по отношению к плотности энергии (дозе) полиэнергетического ионного пучка аргона.

2. Условия и материалы

Облучение проводилось с помощью прибора который даёт ионный пучок с гауссовым распределением энергии пучка ионов аргона в диапазоне энергий E = 4 ... 13,7 кэВ, при средней энергией 9,4 кэВ [5]. Ионы аргона непосредственно имплантируется в мишени из Be, Al, Si, алмаза и атомов Be, Ni, которые были включены из распыленных пленок на подложках из Al, Zr и Si, природных алмазов. Для этого плёнки были бомбардированы полиэнергетическим пучком ионов аргона со средней энергией Е = 9,4 кэВ и плотностью тока пучка j = 5 А/см².

Пленки Be, Ni были нанесены с помощью термического испарения в вакууме (р = 4 10^-4 Па). Толщина барьера (X_t) была выбрана так, чтобы она была больше глубины проникновения ионов аргона (X_t R_p) и была X_t = 30 ... 50 нм.

Профиль распределения внедрённых атомов по глубиной определяется двумя методами: вторичных ионов (Ar ⁺ и O ⁺) масс-спектрометрии (SIMS) с ионной энергией Е = 4,6 кэВ с помощью устройства PHI-600 и Резерфордовского обратного рассеяния (RBS) быстрых ионов (Н ⁺ и Не ⁺) с начальной энергией E = 1,6 МэВ. Ошибка определения глубины методом RBS не более чем ± 5 нм, методом SIMS ± 1 нм. Относительная погрешность определения концентрации методом RBS не более чем ± 0,1%, методом SIMS - ± 10-2 ат%. атом поликристалл подложка пленка

В качестве параметра изменения проводимости легированной поверхности Si и алмаза исследованы изменения спектра поглощения оптического излучения в интервале длин волн 0,1 - 1,4 м на устройствах СФ - 46 и Carry - 1000.

3. Результаты эксперимента

Имплантация атомов Ar. Восстановленные профили распределения - С (х) в Ar представлены на рис.1. Аналогичные отношения дозы для внедрённого распределенного аргона были получены с Al и Si. Результаты экспериментов по определению наиболее вероятных (X_p) и максимальных (X_m) проникновения ионов аргона в Be, Al и Si представлены в таблице. Как видно на рис.1 накопления Ar в Be изменяется с увеличением флюенса. При низком флюенсе, максимальная концентрация аргона находится вблизи проективного диапазона (R_p = 12 Нм с E = 10 кэВ) и составляет X_p = 10... 20 Нм. Когда флюенс превышает Ф = 7l0²¹ м^-2 общее содержание Ar, концентрация газа вблизи поверхности снижается вдвое. Это, вероятно, связано с выбросом газа через каналы выпуска, созданных в процессе бомбардировки. С увеличением флюенса, расположение максимальной концентрации Ar в Ве сдвинется в глубь X_p = 35 нм. Важно подчеркнуть, что с увеличения глубины флюенса максимальное проникновение (X_m) атомов аргона также увеличилась. Как видно из таблицы 5 максимальное проникновение (X_m) для атомов Аг, в случае проникновения в Be, X_m = 82 нм (Ф = L l0²² м^-2), в Al-X_m = 58 нм (Ф = I, 5 l0²² м^-2), а в Si X_m = 88 нм (Ф = I, 4 l0²² м^-2).

Рис.1 - Распределение имплантированных ионов Ar + в Si со средней энергией 9,4 кэВ и плотности энергии: 1 - 5 10¹⁹ ион/м², 2 - 1,3 10²¹ ион/м², 3 - 7,0 10²¹ ион/м², 4 - 1,4 10²² ион/м²

Имплантация атомов из плёнки на подложке. Типичное распределение атомов с поверхности пленки в подложку после бомбардировки плёнки ионами Ar + представлена на рис.2 для случая имплантации Ni в Zr. Как видно из рис.2, значительное проникновение атомов Ni наблюдается до глубины X = 5. .. 10 нм, т.е. до глубины в 3 ... 5 раз выше, чем диапазон ионов аргона (R_p = 3 нм) или диапазон первично выбитого атома никеля в цирконии (R_p = 3,5 нм). Максимальное проникновение атомов Ni в цирконий был установлен на глубинах, превышающих X = 15 ... 20 нм.

Рис. 2 - Распределение внедренных атомов Ni на подложке Zr при облучении пучком ионов Ar ⁺ со средней энергией 9,4 кэВ и плотности энергии: 1- 510¹⁹ ион/м², 2- 1.310²¹ ион/м², 3- 5.010²¹ ион/м², 4- 1.510²² ион/м²

Как видно из данных, представленных в таблице, аналогично проникновению атомов Be, Ni и Mo наблюдается из плёнки в подложках Al, Si, Zr и алмазов. Подробный анализ распределения атомов Ве в алмазах показал, что вместе с флюенсом ионов Агрона Ф = 1 10²² м^-2 концентрация Ве в приповерхностном слое алмаза C (X = 0) = 3 ат.%. Это значение изменяется очень незначительно до X = 20 нм. На глубине X = 70 ... 90 нм, концентрация Ве составляла 0,5 ат.% . Затем она снижалась и достигла величины 0,1. .. 001 ат.% на глубине X> 100 нм.

Таблица - Глубина имплантирования атомов ионами Ar⁺ в плёнку

Изменение спектра пропусканя. Как алмаз в исходном состоянии имеет большое удельное электросопротивление, так и во время его легирования под пучком иона Ar ⁺, вероятно, происходит накопление электрических зарядов. Пробное легирование проводилось на образцах из органического полимера кремния, из материала с меньшим электросопротивлением и имеющим близкие оптические характеристики с алмазом.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.3 - Изменение спектра пропускания кремния органических полимерных образцов при облучении ионами Ar и внедрением атомов Ве, дозы облучения образцов: 0- в исходном состоянии; 1- Ф = 71020 м-2; 2- Ф = 110²⁰ м-2; 5- Ф = 1,310²¹ м-2; 6- атомы Bе и Ф = 1,710²¹ м-2

На рис.3 представлены результаты измерения спектров пропускания образцов в исходном состоянии, облученного ионами Ar ⁺ с различными дозами облучения и легированного атомами Ве с концентрацией до 1 ат.%. Эти спектры показывают снижение прозрачности образцов с увеличением дозы облучения и легирования атомами Ве в области длин волн до 400 до 900 нм. На рис.4 представлены спектры пропускания алмазов в исходном состоянии (1) облученного ионами Ar до дозы Ф = 1,3 10²¹ ион/м² (2) и легированного атомами Ве (3). Как видно из рисунка облучение образца ионами Ar ⁺ снижает прозрачность образца алмаза почти в два раза в интервале длин волн от 225 до 190 нм. Легирование алмаза атомами Ве существенно изменяет зависимость прозрачности алмазов от длины волны, кривая зависимости имеет вогнутый характер, на длине волны 226 нм наблюдается аномальное поглощение оптического излучения, на участке длиной волны 265 - 285 нм наблюдаются колебания в прозрачности алмазов образца.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.4 - Изменение спектра пропускания образцов алмаза при облучении ионами Ar и внедрении атомов Ве, дозы облучения образцов: 1 - в исходном состоянии; 2- Ф = 1,31021 м-2; 2- атомы Ве и Ф = 1,610²¹ м-2

4. Вывод

В таблице представлены основные результаты экспериментов по исследованию динамики атомов проникновения Ar, Be, Ni в Be, Al, Si, Zr, и алмаз при бомбардировке образцов полиэнергетическим пучком иона Ar ⁺ с различными флюенсами. Сравнение экспериментально полученных данных, касающиеся диапазонов пучков ионов Ar ⁺ в Be, Al и Si с расчетными данными для этих диапазонов (R_P) для моноэнергетических пучков (представленные, например, в работе, 6) показывает, что в случае облучения полиэнергетическим пучком Ar⁺ , проникновение атомов Ar можно наблюдать на значительно больших глубинах R_p. Это может быть связано с тем, что пучок ионов Ar имеет энергию выше, чем среднее значение. Как видно на рис.5 величина проникновения ионов Ar ⁺ - <X_p> (где <X_p> является средним значением из С (х) - С (х)с, С (х) является экспериментальным профилем распределения атомов, С(х)с является расчетным профилем распределения атомов для полиэнергетического луча) в Al, Si, Be линейно возрастает с флюенсом, как и в работах [3,4].

Рис.5 - Влияние флюенса имплантированного Ar ⁺ на диапазон <Xp>

В этом случае, Xp увеличивается в порядке Al - Si - Ве при всех дозах. Важный акцент, что соотношение между радиусом атома Ar и радиусами атомов Al, Si, Be (0134: 0164: 0,17 нм), а также модули Юнга Al, Si, Be (70: 160: 310 ГПа) увеличится в том же порядке. Аналогичный эффект «глубокого действия» также может наблюдаться при имплантации в базе слоев атомов плёнок ионами аргона. Атомы Ве и Ni проникают в Al, Si, и базовые слои алмаза до глубин, превышающих диапазон первично выбитого атома. Судя по величине энергии первично выбитого атома, представленной в таблице, процесс имплантации ионами Ar сопровождается выбиванием атомы пленок в режиме динамического смешивания [2] на значительной глубине. Анализ максимального проникновения атомов пленки (результаты представлены на рис.6) показывает, что глубина проникновение атома увеличивается также с увеличением отношения радиуса имплантированного атома (г_i) к радиусу атома подложки (r_m).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.6 - Влияние r_i/r_m на максимум диапазона (X_m) из атомов легирующей примеси

Чтобы выявить механизм глубокого проникновения ионов Ar и атомов Be, Ni в материал, был проведён расчёт профиля распределения атомов с учетом механизмов "глубокое действие", описанных Ю. Мартыненко [7]. Ближайшее соглашение с экспериментальными данными было получено в ходе оценки атомов миграции через междоузлия в поле внутренних (боковых) сжимающих напряжений, созданный в облученных приповерхностном слое материала в результате имплантации [8]. В этом случае проникновения атом внедряется на большую глубину, чем ожидалось, вследствие ускоренной диффузии. Здесь = (BN₀e / D) ^1/2, N₀ - удельная плотность материала матрицы, B - параметр излучения диффузии, D??-коэффициент тепловой диффузии, E = 2718, = 10,16 для случая, используя типичные параметры, характеризующие облучение матричного материала и внедряющих атомов. Как показывают эксперименты легирования плёнок различных подложек атомами [9] максимальная глубина введения более точно может быть описана в рамках изотропной модели ионного перемешивания [10]. Однако для системы "пленка-подложка" необходимо принимать во внимание возможность физико-химического взаимодействия между атомами. Например результате физико-химического анализа системы «Ве-пленки - алмаз-подложка» было установлено, что пик взаимного проникновения атомов зависит от их электроотрицательностей , или, точнее, от разницы электроотрицательностей для атомов плёнок и атомов подложки [11. Значение X_m / R_p уменьшается с усилением физико-химического взаимодействия атомов (с увеличением ).

5. Заключение

1. Облучение полиэнергетическим пучком ионов Ar показали проникновение атомов аргона до глубины в 3.. 10 раз больше, нежели расчетный диапазон моноэнергетических пучков ионов Ar +.

2.Смешивание атомов Be, Ni и Mo позволяет получить значительное проникновение этих атомов в Al, Si, Zr и алмазные подложки, в легированных глубина слоя составляет в 20 и более раз больше, чем рассчитанный спектр атомов отдачи.

3. Глубина проникновения атомов пленки в подложку (X_m / R_p) при фиксированном флюенсе и выделении энергии в образце зависит от приведенной массы пучка и мишени, энергии сообщаемой атомами отдачи и физико-химического взаимодействия атомов (например, разницы электроотрицательности).

References

[1] D,K, Brice, J, Rad, Eff, 11, 227 (1971)

[2] P, Sigmund and A, Gras-Marti, J, Nucl, Instr, Meth,, 95, 385 (1980)

[3] S,J,Bottiger, S,K,Nelson, HJ,Whtelow and P,Wriedl, j, Nucl, Instr, Meth,, 218, 684, (1983)

[4] R,S,Averback, L,J,Thompson, J,Moyle andM,Schalif, j, Appl, Phys,, 53, 1341 (1982)

[5] N,V, Volkov, B,A, Kalin, "Materialovedcheskie voprosi atomnoy techniki" ("Material science problems of nuclear engineering"), edited by B,A, Kalin, Energoatomizdat, Moscow, 1991, p, 64-67

[6] A,F, Burenkov, F,F, Komarov, M,M, Temkin and G,Schlotzhauer Rad, Eff, Lett,, 86(5), 161 (1984)

[7] Yu, V, Martynenko, "Puchki zaryajennich chastitc i tverdoe telo" ("Charged particle beams and a solid body") 7, edited by B,B, Kadamtsev (VINITI, 1993) p, 82-112

[8] E,P, Eer Nisse and S,T, Picraux j, Appl, Phys,, 48(1), 9(1977)

[9] B,A, Kalin, V,P, Gladkov, N,V, Volkov, J, Nucl, Mater, 692, 233 (1996)

[10] B,A, Kalin, N,V, Volkov, I, Kh, Atalikova, J, Izvestiya AN, seriya Fizicheskaya, 62 1477 (1998)

[11] L,S, Darken, R,W, Gurry, Physical Chemistry of Metals, Mc Granw - Hill Book Company, Inc, New York Toronto London (1953) p, 582,

Размещено на Allbest.ru