Реферат: Ионная имплантация

- Потери энергии при взаимодействии с ядрами. Этот вид потери учитывает параметр Sя – ядерная составляющая процесса торможения.

В общем случае, изменение энергии иона dE при прохождении им расстояния dx может быть оценено с помощью выражения

где N – концентрация атомов мишени.

Отсюда

Тогда проекция пробега

(9.1)

Известно, что ядерная составляющая процесса торможения Sя практически не зависит от энергии ионов. Электронная составляющая прямо пропорциональна скорости иона (рисунок 9.3):

Se = a V = k E0,5

(а и k - постоянные для данного иона и материала мишени коэффициенты).

Рисунок 9.3 – Зависимость ядерной (1) и электронной (2) составляющих процесса торможения от энергии иона

Как видно из рис. 9.3, при энергии иона Е = Ек ядерная и электронная составляющие равны (Se=Sя). Оценки показывают, что для металлов

Ек=103…104 эВ.

При анализе (9.1) рассмотрим характерные случаи.

1. Обработка поверхности ионами, имеющими низкую энергию (Е<<Ек). В этом случае основным процессом, определяющим торможение ионов, является рассеивание на ядрах. Тогда Sя>>Sе и из (9.1) следует, что Rx~Е.

2. Воздействие на поверхность высокоэнергетичных ионов (Е>>Ек). Тогда Sя<<Sе и достаточно точно проекционный пробег может быть определен с помощью соотношения

Rx=5Е0,5йййй (9.2)

Отметим, что второй случай является весьма характерным для практических приложений, и выражение (9.2) часто используется при проведении предварительных расчетов. Так, например, при обработке ионами с энергией Е=106 эВ (или Е=16.10-14Дж) глубина внедрения ионов Rx= 2 мкм.

Из данного рассмотрения следует, что при внедрении ионов низких энергий преобладают процессы взаимодействия с ядрами (Sя>Sе) и радиационные дефекты (вакансии и межузельные атомы) образуются вдоль всей траектории движения ионов. Если же имеет место обработка ионами высоких энергий, то радиационные дефекты образуются только в конце пробега ионов, когда ионы имеют достаточно низкую энергию.

Как правило, при обработке ионами средней энергии максимум концентрации имплантированных атомов приходится на расстояние 0,1…0,8 мкм от поверхности. Концентрация легирующих элементов в этом слое может достигать 1…30 %.

Оборудование, использующееся для ионной имплантации, как уже отмечалось, является довольно сложным и включает следующие основные блоки: источник ионов; системы ускорения, фокусировки и сепарации ионов; системы крепления и вращения детали (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4 – Принципиальная схема установки для ионной имплантации: 1–камера ионизации; 2–ускоряющие и фокусирующие линзы; 3–система сепарации ионов; 4–мишень; 5–система нагрева мишени; 6–поток ионов

В рабочей камере создается достаточно низкое давление (Р= 10-5…10-4 Па), и с помощью источника ионов, фокусирующей и ускоряющих линз, системы сепарации формируется направленный поток высокоэнергетичных ионов. Обрабатываемая мишень предварительно нагревается и помещается в зоне действия ионного потока.

Разработаны установки, позволяющие получать потоки ионов с плотностью тока ~ 100 мкА/см2 (общий ток до 5 мА) и энергией ионов 20…200 кэВ. Диаметр пучка ионов достигает 1…2 см. В процессе обработки деталь нагревают до 600 0С. Нагрев может быть осуществлен с помощью резистивных элементов или же производится в процессе обработки под действием пучка ионов. Рекомендуемая оптимальная доза обработки составляет D ~ 1017 ион/см2.

1.3 Структура и свойства имплантированных слоев

Поверхностные слои, обработанные методом ионной имплантации, характеризуются, прежде всего, высокой дефектностью. При взаимодействии ионов с атомами мишени происходит смещение последних, и образуются межузельные атомы и вакансии. Если мощность ионного потока и энергия высоки, то наблюдается возникновение вакансионных кластеров, т. е. скоплений дефектов. При этом профиль распределения дефектов по толщине схож с профилем распределения по толщине имплантированных атомов, т.е. максимум дефектов образуется на некотором расстоянии от поверхности и при увеличении энергии ионов этот максимум смещается в глубь материала. Отметим, однако, что максимум дефектов находится ближе к поверхности по сравнению с положением максимума имплантированных ионов.