Физические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом

Процесс бомбардировки твердого тела тяжелыми заряженными частицами (ионами) обычно называют ионным легированием, или ионной имплантацией.

Ионы, энергия которых более 10 кэВ, проникают в кристаллическую решетку и взаимодействуют с электронной и атомной подсистемой. Взаимодействия могут быть упругими и неупругими. При этом если скорость иона меньше скорости электрона на боровской орбите, то ион захватывает электрон и становится нейтральным атомом.

Если энергия, передаваемая атому ионом, больше энергии связи атома, то образуется пара Френкеля, а если взаимодействие происходит на поверхности, то за счет вылета атома из кристалла образуется дефект Шоттки (вакансия).

При смещении атома из узла решетки его энергия, как правило, велика, и он может образовывать дополнительные смещенные атомы (так называемые атомы отдачи). Иными словами, при ионной бомбардировке твердого тела вполне вероятны каскадные процессы.

По мере роста числа дефектов в решетке формируются макродефекты – области разупорядочения, которые в дальнейшем перекрываются, вызывая частичную или полную аморфизацию кристалла. При этом степень аморфизации зависит от дозы имплантации, а полная аморфизация достигается при превышении критической дозы ионов D_кр.

В целом большинство ионов попадают в междоузлия решетки, являясь электрически неактивными частицами.

Глубина проникновения иона в твердое тело (пробег) зависит от его массы и энергии. Большинство типов ионов имеют сложную траекторию движения в кристалле, и в целом совокупность пробегов подчиняется нормальному распределению с некоторой средней величиной полного пробега R. Проекция траектории среднего пробега на направление движения называется средним проецированным (нормальным) пробегом и обозначается Rp. Дисперсия разброса пробегов частиц относительно средней величины, учитывая нормальный закон распределения, обозначается DRp.

Полный пробег ионов зависит от механизмов потерь энергии и свойств мишени. Так, в монокристалле достаточно ярко проявляется эффект каналирования, когда пробег ионов зависит от ориентации кристалла. Ион, двигаясь вдоль каналов, образованных атомными плоскостями, может иметь аномально большой пробег. На практике для исключения этого эффекта и достижения желаемой глубины пробега мишень поворачивают относительно оси пучка на некоторый угол.

Среднее значение потерь энергии иона можно представить в виде суммы ядерной S_я и электронной S_э составляющих:

dE/dX = – N(S_я +S_э),

где N – концентрация атомов мишени.

При этом пробег ионов можно определить из выражения:

R E

R_x = òdX = 1/NòdE/(S_я +S_э)

0 0

Ядерная составляющая не зависит от энергии иона и определяется выражением:

S_я =4,3 10^-30 (Z₁Z₂/ Z^1/3)[M₁ /(M₁+M₂)],

где Z и М – атомные номера и массы иона и мишени, Z^1/3= (Z₁^2/3+Z₂^2/3)^1/2.

Потери энергии на электромагнитное взаимодействие зависят от скорости иона согласно выражения:

S_э = к Е^1/2

При этом коэффициент к зависит от типа иона и материала мишени.

Очевидно, что при некоторой энергии ионов Е_кр S_я= S_э. Для кремния (М=28, Z=14) критическая величина энергии определяется из выражения:

Е_кр^1/2 = 6,5.10^-9 [14Z₁/((14)^2/3 + Z₁^2/3)^1/2 ][М₁/(М₁+28)].

При этом в случае имплантации ионов бора (Z=5, М=10) Е_кр = 2.10^-15 Дж, для фосфора (Z=15, М=30) – 3.10^-14 Дж.

Если энергия ионизации атома E_i меньше критического значения энергии, то преобладает ядерная составляющая взаимодействия, и

dE/dX = – NS_я.

Тогда R_x (Si) =1,2.10^-29 [Z^1/3 /Z₁Z₂][(M₁+M₂)/M₁]E

Если E_i >E_kp, то R_x ~5Е^1/2. Из этого выражения можно оценить максимальный пробег ионов в кристалле в отсутствие каналирования.

В случае, если S_я>>S_э, образуется большое число радиационных дефектов. Поэтому при внедрении иона с малым значением E_i радиационные дефекты образуются вдоль всей траектории движения иона, а при высокой энергии ионизации – в основном в конце их пробега.

Распределение концентрации ионов в твердом теле обычно подчиняется статистике Гаусса:

N(x)= N_s /[DRp(2p)^1/2]exp[–1/2[(X-R_p)/DR_p]²]+-Nисх.,

где N_s = Q/q – поверхностная концентрация ионов, Q – доза облучения, Кл/см².

Дата добавления: 2014-01-04