2.4 Распределение примеси и дефектов в материале подложки в зависимости от энергии ионов азота
Вследствие статистического характера взаимодействия ионов с атомами мишени наблюдается разброс пробегов ионов. Для металлов и сплавов распределение пробегов ионов приблизительно гауссовское. Такое распределение характеризуется двумя параметрами -- средним значением Rp и среднеквадратическим отклонением ?Rp (страгглингом пробега).
Для определения распределения имплантированных атомов наряду с параметрами пробега Rp и ?Rp нужно знать полную дозу имплантированных ионов Ф, м-2. Её можно получить через полный заряд всех ионов Q, Кл, который можно измерить в процессе имплантации [22]. Удельная доза имплантируемых ионов:
, (2.35)
где q -- заряд иона, Кл; Q -- полный заряд, Кл; А -- площадь имплантации, м2.
При использовании этой формулы предполагается, что все попавшие на мишень ионы являются ионами заданного вида примеси с зарядом q и остаются в имплантируемой мишени и что устройство измерения правильно интегрирует ток пучка, а легируемая площадь А корректно определена.
Однако, приведенные выше предположения не всегда достижимы в существующих системах измерения дозы. Поэтому измерение дозы имплантации всегда проводится с той или иной погрешностью, которая обусловлена следующими факторами: неоднородностью приходящего на мишень ионного пучка по зарядовому и массовому составу, недостатками измерения цилиндром Фарадея и блоком измерения дозы.
Основную погрешность в измерении дозы имплантации вносит нейтральная компонента пучка, которая появляется в результате перезарядки ионов в области после ускорения. Этот происходит при столкновении ионного потока с потоком выбитых ими электронов с поверхности материала подложки. Нейтральные атомы не только нарушают корреляцию между интегрируемым током и дозой, но для систем с электростатическим сканированием приводят к значительной неоднородности дозы имплантации.
Одним из основных процессов, сопровождающих ионное облучение твёрдого тела является образование в нём нарушений кристаллической структуры из-за передачи энергии иона атомам и электронам вещества. Определяющую роль при образовании дефектов играют ядерные взаимодействия. Если энергия, передаваемая ионом атому решётки (упругие потери), превышает энергию связи атома в кристаллической решётке, то последний выбивается из своего положения и переходит в междоузлие. Таким образом возникает точечный дефект - вакансия-межузельный атом (пара Френкеля). Для железа и сплавов на его основе энергия связи составляет 40 эВ. Если энергия, переданная первично смещённому атому, превышает энергию связи в несколько раз и более, то атом, в свою очередь может сместить другие атомы, те - следующие и т.д. Так образовываются каскады смещений. Напряжения, возникающие при образовании вакансии являются растягивающими, а имплантированный азот создаёт напряжения сжатия, то есть противоположные по знаку. Таким образом, для расчёта остаточных концентрационных напряжений, кроме концентрации ионов, необходимо учитывать и концентрацию вакансий.
Концентрация ионов Сi(х) как функция расстояния от поверхности выражается соотношением (2.36), а концентрация вакансий Сv(х) соотношением (2.37) [1 - 3, 12, 21, 57]:
, (2.36)
, (2.37)
где х -- расстояние от поверхности металла (глубина проникновения иона в материал), м; , ?x, kd - характеристики распределения вакансий [3].
Как показано в работе [21] в режиме насыщения максимальная концентрация имплантированной примеси Nmax определяется выражением:
, (2.38)
где N плотность атомов обрабатываемого материала, м-3, S - коэффициент распыления.
Коэффициент распыления равен числу атомов, выбиваемых одним падающим ионом и рассчитывается по формуле:
, (2.39)
где s - безразмерный коэффициент, характеризующий эффективность передачи энергии, который зависит от отношения масс взаимодействующих частиц; Sn сечение упругого торможения при начальной энергии иона E0, Дж; Eb - энергия связи атомов на поверхности обрабатываемого материала, Дж. Таким образом, теоретически величина предельной концентрации примеси не зависит от дозы облучения, определяясь плотностью атомов обрабатываемого материала и коэффициентом распыления его ионами имплантируемой примеси. Поскольку коэффициент распыления является функцией порядковых номеров и массовых чисел иона и обрабатываемого материала, а также энергии иона, то величина Nmax будет существенно зависеть от этих параметров. Поэтому изменяя энергию иона можно менять максимальную концентрацию имплантированной примеси. Также и для различных материалов подложки эта величина будет разной.
Знание распределения примеси и точечных дефектов в материале подложки после имплантации необходимо для нахождения остаточных концентрационных напряжений.
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. Сравнительный анализ методов поверхностного модифицирования
- 2. Физические основы процесса ионной имплантации газов в металлы и сплавы
- 2.1 Основные характеристики метода ионной имплантации
- 2.2 Механизмы взаимодействия имплантируемых ионов с мишенью
- 2.3. Модель для расчета пробегов ионов в материале подложки
- 2.3.1 Ядерное торможение иона в материале
- 2.3.2 Электронное торможение иона в материале
- 2.4 Распределение примеси и дефектов в материале подложки в зависимости от энергии ионов азота
- 2.5 Остаточные концентрационные напряжения
- Фиг.1. Виды взаимодействий ионов с твердым телом [2].
- 14.4Нанесення яких покрить дозволяє підвищити межу втомленності виробів?Охарактеризуйте їх переваги і недоліки.
- 8.3. Распределение пробегов ионов при имплантации
- Лабораторная работа № 3 Влияние ионов хлора на коррозию металлов
- 1.4.1 Физико-химические основы ионной имплантации
- 6.6. Маскирование пленками металлов
- Ионно-лучевая обработка и ионная имплантация
- 3.5.2 Ионная имплантация.
- 7.1. Имплантация ионов водорода в кремниевые пластины
- Тема 2. Теоретические основы процесса ионной имплантации.