ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 5, с. 5-12
УДК 539.1.043.620.22
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОДОЗНОГО ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
© 2004 г. Ю. В. Трушин
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, кафедра "Физики твердого тела",
Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 10.09.2003 г.
На основе разработанного компьютерного метода БУТМЯЗ-МОЕДЯ проведены расчеты профилей залегания монослоев гетероструктур на основе ОаАз при ВИМС-исследованиях, а также рассмотрены физические процессы высокодозной ионной имплантации Б1С.
ВВЕДЕНИЕ
Развитые ранее теоретические представления о физических процессах, происходящих в материалах при облучении быстрыми частицами [1-6], позволили модифицировать компьютерные подходы к описанию высокодозного ионного воздействия на приповерхностные слои многокомпонентных материалов [2, 3, 7-12].
Описание высокодозных процессов взаимодействия ионов с поверхностью материалов путем компьютерного моделирования естественным образом распадается на две важных последовательности процессов: баллистическую стадию, т.е. развитие и наложение каскадов движущихся атомов, и диффузионную стадию в системе как имеющихся в материале дефектов, так и возникающих при облучении [1, 2].
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОДОЗНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
При высокодозных облучениях материалов происходит пространственное наложение каскадных областей. В таких случаях последующие новые каскадные процессы проходят не по "здоровому" (неискаженному) материалу, а по материалу, уже содержащему радиационные дефекты, введенные предыдущими каскадами атомных столкновений. Моделирование такой последовательной динамики каскадов движущихся атомов называется динамическим моделированием, компьютерные коды, реализующие такие задачи, -динамическими программами [9-13].
При проведении динамического моделирования обычно рассматриваются не характеристики отдельных каскадов атомных столкновений (например, профили радиационных точечных дефектов), а результат того, как под воздействием облучения меняются параметры (прежде всего состав) облучаемой мишени [2]. Можно выделить
четыре основных физических процесса, которые приводят к баллистическому изменению параметров материала: 1) имплантация ионов; 2) образование, рекомбинация и накопление радиационных дефектов; 3) баллистическое перемешивание, т.е. баллистический транспорт атомов в мишени; 4) распыление.
Все эти процессы связаны друг с другом и составляют единый физический комплекс, реализующийся в материале при облучении быстрыми частицами. Корректное рассмотрение (в алгоритме моделирования) каждого из этих процессов с учетом их физических особенностей очень важно для правильного описания всего комплекса баллистических процессов, что, естественно, отражается на результате моделирования.
Важными физическими характеристиками при рассмотрении каскадных процессов являются энергетические параметры: а) энергия связи атома еь, которая характеризует процесс образования точечных радиационных дефектов при развитии каскада соударений; б) поверхностный энергетический барьер (или поверхностная энергия связи) е., характеризующий процесс распыления; в) пороговая энергия смещения еа, которая характеризует процесс спонтанной (атермической) рекомбинации образовавшихся в каскаде пар Френкеля.
Перечисленные процессы имеют свою иерархию. Первичным является образование дефектов в результате выбивания атома из узла кристаллической решетки. Затем движущийся в каскаде выбитый атом может преодолеть поверхностный барьер и оказаться распыленным. И лишь после окончания кинетического движения (на стадии термализации каскада) происходит рекомбинация межузельных атомов с близко расположенными вакансиями. Из этой иерархии и из соотношения между энергетическими параметрами (еь < е. < еа), а также из факта наличия поверхности у облучаемой мишени следут интересный эффект. Он за-
Да
Финальные профили атомных компонентов; дозовые зависимости параметров мишени
Рис. 1. Общая схема моделирования высокодозного облучения методом Монте-Карло в приближении парных соударений.
ключается в том, что не все атомы, выбитые с энергией меньшей, чем ed (подпороговые выбитые атомы), рекомбинируют со своими вакансиями. Действительно, в объемных слоях материала такой атом не может выйти за пределы зоны спонтанной рекомбинации [3], образующейся вокруг вакансии, и неизбежно рекомбинирует с ней. Однако если такой атом выбит вблизи поверхности и ему передана энергия больше, чем то у него есть альтернатива: он может пересечь поверхность и оказаться распыленным.
В рамках расчетных алгоритмов, основанных на методе Монте-Карло, не имеется возможности в явном виде рассмотреть зону спонтанной рекомбинации, а значит, любой выбитый атом образует пару Френкеля. Результатом такого приближения является то, что для описания характеристик распыления и пространственных распределений дефектов в каскаде используются разные версии (либо разные режимы в рамках одной версии) линейных программ типа TRIM [13-15]. Таким образом, корректные распределения и характеристики распыления могут быть рассчитаны при помощи линейных программ только по отдельности. Однако в динамических алгоритмах все процессы должны быть рассмотрены в комплексе. Кроме того, обычно в задачах, для моделирования которых применяются динамические алгоритмы, распыление и дефектообразование играют существенную роль, так что нельзя пренебречь ни одним из этих процессов.
Важным процессом при высокодозном облучении является накопление радиационных дефектов. Не все образовавшиеся в материале вакансии и ме-жузельные атомы рекомбинируют друг с другом. Часть дефектов остается в материале и накапливается с ростом дозы облучения. Причем накопле-
ние может происходить до некоторого предела, который соответствует полной аморфизации материала. Накопление дефектов может приводить к изменению плотности материала, которое, в свою очередь, приводит к изменению параметров отдельных каскадов (например, к изменению длины пробега между соударениями).
Основной особенностью высокодозного облучения является то, что происходит многократное пространственное наложение каскадных областей, вызванных отдельными ионами. При этом каскад соударений, образованный каждой из бомбардирующих частиц (ионов), меняет в данной области материала ее физические параметры, такие как состав, плотность, и т.д. Следовательно, каждый из последующих каскадов, попавших в данную область, развивается в иных условиях, нежели предыдущие.
При динамическом моделировании методом Монте-Карло, как правило, предполагается, что поток падающих на мишень ионов равномерно распределен в поперечном сечении. При этом весь процесс облучения условно подразделяется на N последовательных итерраций, каждой из которых соответствует определенная доза (флуенс) первичных ионов АФ = Ф/N, где Ф - полная доза облучения. Каждый шаг по дозе АФ условно идентифицируется с псевдочастицей ("псевдоснарядом"), для каждой из которых моделируется одиночный каскад, параметры которого затем нормируются на величину АФ. Таким образом, все каскады в пределах дозы АФ считаются идентичными. При этом величина АФ выбирается так, чтобы изменения концентраций компонентов мишени за счет попадания одного псевдоснаряда были незначительны и линейным образом зависели от величины АФ. После каждого псевдоснаряда производится пересчет параметров мишени. Тогда каж-
дыи следующим псевдоснаряд попадает уже в мишень, модифицированную за счет попадания предыдущего, и т.д. Схематично этот процесс изображен на рис. 1.
Таким образом, можно выделить два основных этапа динамического моделирования: 1) расчет каскада, соответствующего одному псевдоснаряду, и 2) пересчет параметров мишени после каждого псевдоснаряда. Моделирование каскада производится при помощи обычных линеМных программ типа TRIM [13-15 ] (или TRIRS [10, 16]). Ключевым моментом рассмотрения динамики процесса является заложенным в модель и реализованным в процедуре пересчета механизм динамическом релаксации мишени, т.е. изменения ее плотности и состава (по глубине) как реакция на перераспределение атомов из-за каскадного перемешивания, а также дефектообразования, распыления и других процессов, вызванных псевдоснарядом.
На сегодняшним день можно выделить два основных пути реализации общем схемы динамического моделирования, описанном выше. Это методика (алгоритм) моделирования, лежащая в основе программы TRIDYN [12] (и использованная в других программах), и методика, положенная в основу программы DYTRIRS [10]. Эти методики имеют ряд отличим как на этапе моделирования облучения одиночным псевдоснарядом, так и в процедуре пересчета параметров мишени, что может сказываться на получаемых результатах моделирования [2].
Динамические компьютерные программы DYTRIRS и TRIDYN применяются для моделирования разнообразных процессов, связанных с вы-сокодозным облучением, таких как ионное травление, высокодозная ионная имплантация, лазерное осаждение, перемешивание слоистых структур высокоэнергетическими ионами и других.
ИОННОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР И ПОРОГОВЫЕ ЭНЕРГИИ СМЕЩЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ
С помощью программы DYTRIRS моделировалось ВИМС-профилирование структур в процессе ионного травления GaAs с тонкими маркерными слоями [2, 10].
Исследованные в эксперименте специально приготовленные структуры представляли собом выращенные методом молекулярно-лучевом эпи-таксии образцы GaAs с периодическими маркерными слоями: 1) маркер-слом, 8-легированным атомами Si; 2) моносломным маркер AlAs; 3) маркер-слом состава Al0 33Ga067As толщином 10 монослоев. Выращивание проводилось в условиях подавления процессов диффузии и поверхностном сегрегации атомов Si и Al в процессе роста. В случае
Коэффициент распыления, ат./ион
10
|-4_
10
г5
■ Моделирование
■ Эксперимент
8 -слом
800 850 900 950 1000 Глубина травления, А
Рис. 2. Расчетный и экспериментальный профили травления мишень - ваДБ с легированным атомами 5-слоем; пучок - ионы 0+, ер = 47°.
Ep = 1.46 кэВ/ат.,
8-легированных маркер-слоев
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.