ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 8, с. 48-51
УДК 533.9
ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ИОННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ СИСТЕМ "МНОГОСЛОЙНАЯ ПЛЕНКА-ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОДЛОЖКА" ПУЧКОМ ИОНОВ Аг+ СО СРЕДНЕЙ ЭНЕРГИЕЙ 10 И 20 кэВ
© 2004 г. Б. А. Калин, Н. В. Волков, И. В. Олейников
Московский инженерно-физический институт (Государственный университет), Москва, Россия Поступила в редакцию 10.10.2003 г.
Рассмотрены процессы внедрения атомов пленок в подложки при облучении полиэнергетическим пучком ионов Аг+ со средней энергией 10 и 20 кэВ. Показано, что увеличение средней энергии ионов Аг+ в пучке с широким энергетическим спектром повышает скорость миграции атомов нижележащих слоев многослойной пленки и атомов подложки к зоне облучения (х = 10-30 нм), т.е. ионное перемешивание идет более интенсивно, при этом общее число атомов, проникших из многослойной пленки в глубь поликристаллической подложки, снижается из-за возросшей скорости распыления. Изменение глубины проникновения внедренных атомов (хт) удовлетворительно описывается в рамках представлений механизмов ионного перемешивания с учетом эффективности сохранения энергии внедренного атома (1 - ц*) и физико-химического взаимодействия с его окружением. При ионном перемешивании параметром физико-химического взаимодействия между внедряемым атомом пленки и атомом подложки может быть величина электроотрицательности, которая по модели По-линга представлена в виде степенной функции.
ВВЕДЕНИЕ
Подавляющее большинство экспериментов по ионной имплантации проводится на установках, формирующих пучок ионов с узким энергетическим спектром (моноэнергетический пучок, МПИ). Причем отношение ширины распределения к величине средней энергии ионов в пучке АЕ/Е составляет не более 10%. В ряде случаев представляется целесообразным проводить ионную имплантацию пучком ионов с широким энергетическим спектром (например, получение прямоугольного распределения внедренных атомов в подложке, повышение эффективности легирования методом ионного перемешивания) [1, 2].
Облучение пучком ионов с широким энергетическим спектром - полиэнергетическим пучком ионов (ППИ) - приводит к иному распределению выделенной энергии в материале и взаимодействию между атомами, чем при облучении МПИ. Как показывают литературные данные, распределение внедренных атомов по глубине также существенно отличается при облучении ППИ по сравнению с МПИ [1-4].
Для достижения максимальной концентрации внедряемых атомов или их глубины внедрения важным является выбор условий облучения для конкретной системы "многослойная пленка - поликристаллическая подложка". Особенностью данной работы является использование пучка ионов Аг+ с широким энергетическим спектром при средних
энергиях 10 и 20 кэВ, а также учет степени влияния радиационно-стимулированных процессов и физико-химического взаимодействия между атомами системы "пленка-подложка" на формирование распределения внедренных атомов в поликристаллических материалах при облучении ионами Аг+.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для изучения поведения атомов пленок в подложке при облучении ППИ были выбраны материалы с различным отношением радиусов атомов пленки и подложки: атомы пленок - 9Ве, 27А1, 48Т1, 59№, 96Мо, 1198и, атомы подложек - 9Ве, 27А1, 64Си, 912г, 96Мо. Образцы для подложек проходили стандартную обработку: механическую шлифовку на абразивных бумагах и алмазных пастах, электрополировку в соответствующих электролитах, отжиг в вакууме при р < 106 Па в течение одного часа.
Пленки напылялись методом термического испарения в вакууме при давлении остаточных газов р < 10-4 Па. Толщина пленок выбиралась из условия полного торможения на начальном этапе облучения ионами 40Аг+. Для ионов со средней энергией (Е) = 10 кэВ толщина пленок составляла х1 = 30-50 нм, а для ионов с (Е) = 20 кэВ х1 = 60-80 нм.
Легирование подложек проведено методом ионного перемешивания при облучении ионами Аг+, которое выполнено на установке "ВОКАЛ" [5], фор-
мирующей пучок ионов с широким непрерывным гауссоподобным энергетическим спектром в диапазоне энергий E = 1-15 кэВ при средней энергии (E) = 10 кэВ и E = 5-25 кэВ при средней энергии (E) = 20 кэВ. Ток пучка ионов Ar+ был равен j = = 10-15 и 20-25 мкА/см2 соответственно, давление остаточных газов в области образца находилось на уровне (1-6) х 10-4 Па.
Исследование распределения внедренных атомов по глубине подложки проведено с помощью оже-спектроскопии, вторично-ионной масс-спек-трометрии (ВИМС) (прибор HPI-660), резерфор-довского обратного рассеяния (POP) ионов Н+, Не+ с начальной энергией E0 = 1.6 МэВ. Порог чувствительности методик не хуже 0.01-0.02 ат. %, разрешение по глубине ±(5-10) нм. Спектры POP, оже-электронов и ВИМС проходили машинную обработку по стандартным программам.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведены типичные восстановленные профили распределения концентрации C(x) внедренных атомов (Al, Ni, Sn) в подложку из Cu. Как видно из рисунка, распределение C(x) имеет куполообразную форму, положение максимума распределения внедренных атомов xc находится на глубине 10 нм для Al и Ni, 30 нм для Sn. В таблице представлены результаты измерения положения максимума распределения xc внедренных ионов Ar+ и атомов пленок Be, Al, Ni, Mo в различные подложки. Значения xc находятся в интервале (3-5)-(40-48) нм при облучении ионами Ar+ c (E) = 10 кэВ и в интервале (10-15)-(54-67) нм при облучении ионами Ar+ c (E) = 20 кэВ. Значение максимума концентрации внедренных атомов C(xc) находится в интервале 0.6-2 ат.%, причем с ростом атомной массы материала подложки оно убывает, например, для Ni в Al, Cu, Mo C(xc) равна соответственно 1.9, 1.5 и 1.1 ат. %. Сравнение величин xc и коэффициентов распыления пленок для различных систем "пленка-подложка" позволяет говорить о незначительном влиянии скорости распыления пленок на положение максимума распределения внедренных атомов, формирование максимума распределения [6]. Это, видимо, связано с миграцией части атомов как к поверхности, так и в глубь подложки [1-3].
В качестве примера на рис. 2 представлены результаты изучения перераспределения атомов Mo, Ti, Al в многослойной пленке на поликристаллической подложке Zr при средней энергии ионов в пучке (E) = 10 и 20 кэВ, полученные с помощью ВИМС и оже-спектроскопии. Поскольку коэффициенты распыления для каждого слоя различны (следовательно, различны и скорости их распыления), то данные изменения концентрации атомов представлены в масштабе изменения
C(x), ат. %
x, нм
Рис. 1. Распределение концентрации С(х) внедренных атомов А1, №, 8п в подложке Си при облучении полиэнергетическим пучком Аг+ с (£} = 10 кэВ дозой В ~ 1 х 1018 ион/см2.
толщины напыленного слоя как х/х„ где х - толщина напыленного слоя многослойной пленки, х{ = 50-60 нм. Толщина фактически распыленного слоя определялась "методом ступеньки" с помощью растровой электронной микроскопии и ВИМС.
В процессе облучении пучком Аг+ со средней энергией 10 кэВ (рис. 2а) при удалении первого слоя (Мо) на толщину х/хг = 0.5 появляются атомы нижележащего слоя с концентрацией С(Т1) = 0.03 ат. %; после полного удаления первого слоя (х/хг = 1.0)
Глубины положения максимума распределения внедренных атомов Хс и максимального проникновения внедренных атомов Хт в различных подложках
Параметры Mfc (E) = 10 кэВ (E) = 20 кэВ
Xc, нм Xm, нм Xc, нм Xm, нм
Матрица Внедренный атом - Be
Al 0.75 5 ± 2 12 ± 3 10 ± 3 23 ± 5
Cu 0.29 7 ± 2 18 ± 3 15 ± 3 50 ± 5
Mo 0.12 10 ± 2 21 ± 3 17 ± 3 41 ± 5
Внедренный атом - Al
Be 0.75 40 ± 7 50 ± 5 67 ± 5 80 ± 5
Cu 0.84 11 ± 3 45 ± 5 18 ± 3 84 ± 5
Mo 0.69 5 ± 2 30 ± 5 7 ± 3 71 ± 5
Внедренный атом - Ni
Be 0.46 33 ± 5 60 ± 5 54 ± 5 150 ± 15
Al 0.86 25 ± 5 40 ± 5 37 ± 5 145 ± 15
Cu 1.0 20 ± 5 65 ± 5 31 ± 3 163 ± 15
Mo 0.94 11 ± 3 40 ± 5 17 ± 3 172 ± 15
Внедренный атом - Mo
Be 0.12 15 ± 3 30 ± 5 22 ± 3 67 ± 5
Al 0.69 10 ± 3 20 ± 5 15 ± 3 39 ± 5
Cu 0.96 7 ± 2 50 ± 5 14 ± 3 134 ± 15
50
КАЛИН и др.
(а)
Концентрация,ат. % 102 101 100 10-1 10-2
(б)
Мо Т1 А1 2г- А1 матрица
1 • V/X
0 12 3 Относительная глубина, л/л,
10 101 10° 10-1 10-2
Мо Т1 А1 2г- матрицг
- \ О \
0 12 3 Относительная глубина, л/л,
Рис. 2. Перераспределение атомов многослойной пленки в матрице из циркония при облучении полиэнергетическим пучком ионов Аг+ со средней энергией 10 кэВ (а) и 20 кэВ (б).
содержание атомов в приповерхностном слое составляет С(Мо) = 30 ат. %, С(Т1) ~ 70 ат. %, наблюдается присутствие атомов нижележащего слоя на уровне С(А1) = 0.02 ат. %. Дальнейшее распыление слоя Т1 (х/хг = 1.5) приводит к перераспределению атомов слоев С(Мо) = 0.7 ат. %, С(Т1) ~ ~ 98.6 ат. %, С(А1) = 0.07 ат. %. В случае полного удаления второго слоя (х/хг = 2.0) содержание атомов изменяется: С(Мо) = 0.15 ат. %, С(Т1) ~ 30.0 ат. %, С(А1) = 69.8 ат. %, и обнаруживается присутствие атомов подложки 2г на уровне С(2г) = 0.02 ат. %. После удаления третьего слоя пленки (х/хг = 3.0) концентрация атомов имеет следующие величины: С(Мо) = 0.08 ат. %, С(Т1) ~ 0.7 ат. %, С(А1) = = 1.5 ат. %. В дальнейшем содержание в матрице 2г атомов многослойной пленки уменьшается соответственно до С(Мо) = 0.06 ат. %, С(Т1) ~ 0.1 ат. %, С(А1) = 0.03 ат. %.
В случае облучения системы МоТ1А1-2г пучком ионов Аг+ со средней энергией 20 кэВ (рис. 26) зависимость перераспределения в основном повторяется, как и при облучении пучком с энергией (Б) = 10 кэВ. Однако наблюдаются и отличия: так, например, при удалении части первого слоя (х/хг = 0.5) содержание атомов нижележащего слоя Т1 находится уже на уровне С(Т1) = 2 ат. %; при его полном удалении (х/хг = 1.0) содержание атомов составляет: С(Мо) = 10 ат. %, С(Т1) ~ 89 ат. %, присутствуют атомы нижележащего слоя А1: С(А1) = 1.0 ат. %. Обнаруживается также существенное отличие в миграции атомов матрицы 2г. Например, при х/хг = 2.5 для (Б) = 10 кэВ С(2г) ~ ~ 0.05 ат. %, а при (Б) = 20 кэВ С7г) = 9.3 ат. %.
Представляет интерес величина максимальной глубины проникновения внедренных а
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.