ГЕОХИМИЯ, 2014, № 7, с. 663-666
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
МИГРАЦИЯ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ (Si) И АМОРФНЫХ (SiO2) ТЕЛАХ ПРИ РАДИАЦИОННОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
© 2014 г. С. Н. Шилобреева*, В. И. Зиненко**, Ю. А. Агафонов**, В. В. Сарайкин***, В. С. Бронский*
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991ГСП-1 Москва, ул. Косыгина, 19 e-mail: shilobre@mail.ru **Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН 142432 Московская обл., Ногинский р-н, г. Черноголовка, ул. Академ. Осипьяна, 6 ***Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина 124460 Москва, Зеленоград, проезд 4806, 15 Поступила в редакцию 10.09.2013 г. Принята к печати 19.10.2013 г.
Ключевые слова: кристаллические и аморфные тела, железо, силициды железа, миграция, радиационное и термическое воздействие, космические лучи, космическое выветривание, имплантация, ВИМС.
Б01: 10.7868/80016752514070073
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи, как и солнечный ветер, достигая поверхности астероидов, метеоритов, Луны и других безатмосферных тел, наряду с ударами микрометеоритов могут вызывать структурные и химические изменения поверхностного вещества: происходит так называемое космическое выветривание. Ионизирующее излучение влияет не только на структуру, но и на изменение химического и фазового состава силикатов околозвездной и межпланетной пыли, а также на изменение химического и фазового состава частиц лунного реголита и реголита других безатмосферных тел Солнечной системы. В последнее десятилетие широко исследуют влияние ионизирующего излучения, как одного из важных факторов космического выветривания, на модификацию силикатов [1—5]. Образование частиц металлического железа в оливине также возможно в результате облучения кристаллов протонами и ионами гелия [6, 7]. Наличие металлического железа на поверхности оливинов лунного реголита, доставленного АЛС Луна-16, впервые отмечено в работах [8, 9]. Экспериментальные исследования по перераспределению атомов железа, предварительно имплантированных в кварц с последующим облучением ускоренными протонами при температурах, моделирующих реальные условия космического пространства, показали возможность образования металлического железа на по-
верхности кварца под воздействием ионизирующего излучения. Однако выявить в чистом виде влияние радиационных дефектов, созданных протонным облучением, было затруднительно из-за микрокристаллических включений в аморфном 8Ю2, являющихся мощным стоком для мигрирующих атомов железа [10].
В данной работе экспериментально исследовано перераспределение железа (54Бе), предварительно имплантированного в аморфный 8Ю2 и кристаллический кремний, после их облучения ускоренными протонами и ионами гелия с последующим термическим отжигом.
Силикаты являются важной составляющей многих космических тел и присутствуют в них как в аморфном, так и кристаллическом виде [11, 12]. Кварц, как простейший силикат, достаточно часто встречается в метеоритах [13], на Луне [14]; возможно его присутствие и в околозвезной пыли [15]. Самородный кремний обнаружен в лунном метеорите ЭИоГаг 280 и образцах лунного реголита 601501.22, доставленного станцией "Апполон 16" [16], поэтому аморфный 8Ю2 и кристаллический кремний выбраны в качестве модельных объектов для исследования и для разработки методик имплантации и масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС). Протоны и ионы гелия являются самыми распространенными компонентами во всех типах космических лучей и солнечного ветра.
664
ШИЛОБРЕЕВА и др.
(а)
(a)
н
а
«
и
Я а
я
(U
я я
о
а
н
а
«
и
я
а
я <0 я я
о
а
1E19
1E18
1E17
1E16
1E19 1E18 1E17 1E16 1E15
0 50 100 150 200
Глубина, нм
Рис. 1. Профили распределения концентрации атомов железа по глубине: (а) — в Si; (б) — в SÍO2. 1 — исходный профиль после имплантации Fe+, 2 — после облучения протонами, 3 — после облучения ионами гелия.
5 1E19
н
а
1E18
и
I 1E17
н
н
g- 1E16
te
& 1E15
50 100 150 200 250 300 350 400
Глубина, нм
(б)
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Глубина, нм
(б)
1E19 щ
н
а
«
и
Я
а &
н
(U
Я н
о
а
1E18
1E17 г
1E16
1E16 ^
0
100 200 300 400 500 Глубина, нм
0.020 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0
Рис. 2. Профили распределения концентрации атомов железа по глубине в 81:
(а )--исходный профиль после имплантации Бе+,
—■--после облучения протонами и отжига, --О---
распределение вакансий после облучения протонами.
(б )--исходный профиль после имплантации Бе+,
—■— — после облучения ионами гелия и отжига,
— О---распределение вакансий после облучения
ионами гелия.
0
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве модельных образцов использовали полупроводниковые монокристаллические подложки кремния (81) марки КЭФ-4.5 с ориентацией (100) и термически выращенные на кремниевой подложке аморфные пленки диоксида кремния (8Ю2) толщиной 0.21 мкм. Для введения в образцы примеси железа использовался метод ионной имплантации. Ионы железа (изотоп 54Бе) имплантировались в образцы с энергией 85 кэВ и дозой 5.5 х 1013 ион/см2 на ускорителе ЕхМоп/Уайап при комнатной температуре. Плотность тока ионного пучка составляла 0.5 мкА/см2. После введения примеси железа образцы дополнительно имплантировались протонами (Е = 20 кэВ и дозой 5.0 х 1016 Н+/см2) или ионами гелия (Е = 40 кэВ и дозой 1.0 х 1016 Не+/см2) для создания радиационных дефектов. Облученные образцы отжигались на воздухе при 900°С в течение 7 ч. Профили распределения железа как в имплантированных, так и в отожженных образцах измерялись методом масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС) па приборе Сатеса 1М8-4£ В качестве
первичного пучка для анализа использовали ионы О + с энергией 8 кэВ. Компенсация заряда в пленках 8Ю2 производилась электронной пушкой при нормальном падении электронного пучка. Первоначально получали зависимости ионного тока от времени травления пучком первичных ионов. Профили концентрации от глубины травления строились в предположении постоянства скорости ионного травления и линейной зависимости тока вторичных ионов от концентрации элементов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Монокристаллический кремний. На рис. 1а и 2
представлены результаты исследований для монокристаллического кремния. Сплошная кривая относится к ВИМС распределению концентрации атомов железа по глубине после имплантации. Максимум концентрации атомов железа (~4.7 х 1018 ат/см3) достигается на глубине, соответствующей среднему проективному пробегу
МИГРАЦИЯ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА
665
ионов Яр ~ 80 нм. ВИМС профили атомов железа из образцов кремния, облученных ионами Н+ и Не+ показывают незначительный сдвиг (несколько нм) распределений атомов железа вглубь образца, что можно объяснить динамическим отжигом во время имплантации ионов Н+ и Не+ (рис. 1). Профили распределения концентрации атомов железа после отжига приведены на рис. 2 (а) (облучение протонами) и рис. 2 (б) (облучение ионами гелия). Обычный термический отжиг материала с имплантационным профилем введенной примеси приводит к плавному размытию исходного профиля. Максимум распределения понижается, но остается на той же глубине Яр, а страглинг (разброс пробегов для частиц с одинаковой энергией) конечного распределения определяется выражением а = [(А^р)2 + 2Б?]1/2, где АЯр — страглинг исходного имплантационного профиля распределения, I — время отжига, Б — коэффициент диффузии примеси при температуре отжига [17].
Совершенно иная картина наблюдается в нашем случае при облучении образцов протонами и ионами гелия с последующим отжигом при 900°С. Исходный профиль распределения атомов железа разделяется на два пика: первый пик практически совпадает с максимумом исходного распределения (~80 нм), а второй находится на глубине ~250 нм (для Н+) и ~400 нм (для Не+). Наблюдается также незначительная диффузия атомов железа к поверхности (рис. 2). Подобный характер миграции примеси при облучении протонами наблюдался, например, для атомов бора в монокристаллическом кремнии, и он связан с ра-диационно-ускоренной диффузией атомов бора по радиационным дефектам, создаваемым протонами [18]. Однако в случае бора эффект разделения исходного профиля значительно менее выражен, чем в случае железа. Это можно объяснить большой разницей в коэффициентах термической диффузии Б атомов бора и железа в кремнии. Так при 900°С для бора Бв ~ 10-14 см2/с, а для железа БРе ~ 10-6 см2/с [19, 20]. Основными радиационными дефектами, создаваемыми в кремнии при облучении легкими ионами, являются меж-доузельные атомы и вакансии [18]. На рис. 2 пунктирной кривой приведено распределение по глубине вакансий, создаваемых в кремнии при облучении протонами и ионами гелия (расчет по программе SRIM [21]). Как видно из рис. 2а, положение второго пика атомов железа после облучения гелием хорошо коррелирует с рассчитанным максимумом распределения радиационных дефектов. Т.е. максимум концентрации радиационных дефектов является мощным стоком для диффундирующих атомов железа. Характерно, что атомы железа, захваченные на стоках, могут выбывать из дальнейшего диффузионного про-
а 1Е19
* 1Е18
«
Я
се &
| 1Е16
ЕС
^ 1Е15
1Е17
50 100 150 200 Глубина, нм
250 300
Рис. 3. Профили распределения концентрации атомов железа по глубине в SiO2:
--исходный профиль после имплантации Бе+,
—□--после облучения протонами и отжига, —■--
после облучения ионами гелия и отжига.
цесса. По-видимому, это связано с образованием силицидов железа (FeSi2, Бе^, FeSi). Как показано в работе [22], образование дисилицида железа FeSi2 начинается уже при температурах ~350°; что приводит к связыванию атомов железа в кристаллической решетке кремния. Более подробно природа образующихся соединений будет рассмотрена в последующих публикациях.
При облучении ионами гелия происходит полное разделение первого и второго пиков на глубинах от 200 до 300 нм. Концентрация железа между пиками падает до фонового значения ~1015 ат/см3. При этом во второй пик перекачивается около 50% атомов железа из исходного распределения. При облучении протонами полного разделения первого и второго пико
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.