Распыление твердых тел ионами инертных и химически активных газов при фазовых превращениях (1097871), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Измеренныеабсолютные значения коэффициентов распыления Si ионами 9 кэВ N2+ и 4.5 кэВ Ar+при нормальном падении пучков составили0.27±0.03 атом/N и 1.2±0.1 атом/ион,соответственно. Измерение угловой зависимости коэффициентов распыления Y(θ)выявило особенность ее поведения в случае бомбардировки поверхности ионами азотапучком (рис.10). При углах падения θ≥30° наблюдается резкий рост коэффициентараспыления.
Увеличение Y при изменении θ от 0 до 60° почти в два раза превышаетаналогичное возрастание коэффициента распыления при бомбардировке кремния-nпучком аргона. Распыление Si ионами Ar+ приводит к зависимости Y(θ)∼cos θ, (n≈2).Такой ход зависимости Y(θ) описывается каскадным механизмом распыления [2] и25объясняет рост Y при увеличении θ ростом плотности энергии, выделяемой ионнымпучком вблизи поверхности.Установленное строение модифицированного бомбардировкой ионами азотаслоя кремния позволило объяснить аномальный рост коэффициента распыления приувеличении угла падения. Согласно [2], коэффициент распыления Y∼Eb-1, где Eb –энергия связи атомов на поверхности. При бомбардировке поверхности Si инертнымиионами значение Eb остается неизменным при всех углах падения ионов.
Поэтому-nповедение Y(θ) определяется каскадным механизмом и Y(θ)∼cos θ.Облучение кремния ионами азота изменяет состав приповерхностного слоя отSi3N4 до Si при росте θ от 0 до 70°. Химический состав слоя, сформированного ионнойбомбардировкойприразличныхуглахпадения ионов, определяет значение среднейэнергии связи Ebср. Ее можно представить ввиде суммы: Ebср=Eb(Si)⋅fSi+ Eb(Si3N4)⋅fc, гдеEb(Si) и fSi – энергия связи атомов Si и егодоля в приповерхностном слое, а Eb(Si3N4) иfc – энергия связи соединения Si3N4 и егосодержание в слое. Известно, что азотформирует в кремнии связи Si-N, болеепрочные, чем связи Si-Si (энергии разрываэтихсвязейсоставляютсоответственно).3.7Анализи2.4эВ,литературныхданных показал, что энергия связи атомов наРис.10.
Угловая зависимость коэффициента распыления Si ионами N2+ (1) иAr+(2) с энергиями 9 и 4,5 кэВ,соответственно.поверхностиSi3N4почтивдваразапревышает Eb для Si. При достижениистационарного режима распыления, каждыйраспыленный имплантированный атом азота замещается падающим, и составмодифицированного слоя при дальнейшей бомбардировке остается неизменным. Вэтом случае распыление Si с Eb(Si) химически активными ионами N2+ можнорассматривать как распыление приповерхностного слоя со средней энергией связиEbср пучком “инертных” ионов N2+. Тогда полученная угловая зависимостькоэффициента распыления кремния азотом может быть объяснена участием враспылении двух механизмов: каскадного и химического. Последний заключается в26изменении энергии связи Ebav от значений Eb(Si3N4) (при углах падения θ<35°), дозначений Eb(Si) (при θ>60°).
Поскольку коэффициент распыления инертными ионамиY∼Eb-1, рост зависимости Y(θ) при θ>35°происходит как за счет увеличения энергии,-nвыделяющейся вблизи поверхности (∼cos θ), так и вследствие уменьшения Ebav.В шестой главе предложена модель формирования волнообразного рельефа(ВР) на поверхности кремния при ионной бомбардировке.ВР образуется на поверхности проводников, полупроводников и диэлектриковпри облучении ионами как инертных, так и химически активных газов. НаиболееподробноэкспериментальноизученпроцессзарожденияиразвитияВРнаповерхности кремния. Установлено, что ВР рельеф образуется в определенномдиапазоне углов падения ионов, ширина которого определяется энергией и типомпервичного пучка. Эти же параметры определяют длину волны рельефа (λ) и глубину(d), на которой происходит зарождение ВР. Следует отметить, что значения этихвеличин характерны для каждого набора экспериментальных условий (тип первичныхионов, их энергия и угол падения).
Экспериментально установлено, что глубина d(или доза облучения D) является наименьшей при использовании ионов азота. Она напорядок меньше, чем при облучении Si ионами О2+, и на два порядка меньше, чем прииспользовании ионов Ar+. Механизм формирования ВР до сих порнесовсемпонятен.Детерминистская теория эрозии [4], основанная на зависимости скоростираспыленияотлокальногоуглападения,описываетэволюциюповерхностигиперболическим уравнением∂θ∂ ⎡∂θ ∂J= − cos 2 θY (θ 0 − θ )cos(θ 0 −θ ) ⎤⎦;z ( x, t ) = tgθ ( x, t ) ,⎣ρ∂x ∂x∂t∂θ(8)где J - плотность потока ионов,Y(θ0-θ ) - коэффициент распыления, ρ - плотность атомоврешетки, θ0 - угол бомбардировки, θ - угол между осью z и нормалью к поверхности.Уравнение (8) применимо только до тех пор, пока можно пренебречь темобстоятельством,чтоточкивнедренияпервичногоиэмиссиивторичногоионовпространственно разделены, а локальные углы θ(х) в этих точках могут быть различны.Решения уравнения (8) различными авторами (в том числе выполненное в даннойработе методом характеристик) показывают, что развитие исходного рельефа наповерхностивозможно,еслиегомасштабпревосходитодинмикрон.субмикронного масштаба, который наблюдается в экспериментах, сглаживается.ВР27Для объяснения зарождения и развития ВР уравнение (8) дополняетсяпроизводнымиболеевысокогопорядка,которыеописываютповерхностнуюдиффузию атомов, поверхностное натяжения и другие явления.В данной работе предложена модель, в которой исходный рельеф представляетсобой сумму рельефа микронного масштаба, на который накладывается рельефнанометрового масштаба.
Она построена в рамках теории распыления [2] с учетомгеометрическихфакторов,которыеучитываютзависимостькоэффициентараспыления Y от локального угла падения θ и продольной координаты х, лежащей вплоскости падения первичного иона (рис.11).В результате такого подхода получается уравнение, содержащее два слагаемых:∂zJ cos( Θ0 − Θ )=−Y( Θ0 − Θ )z%∂tcosΘρ(9)⎛β⎞⎡lxJα∂ %z= − Y( Θ0 − Θ ) ⎜ −×⎟⎢llcos()/cos()ρΘΘβαΘΘ−∂t−−00⎝⎠⎣×Здесьz∂%z( x − l x ) − %z( x ) + %z( x − l x )⎤⎥∂x⎦иz%(10)вертикальные размеры микроскопического и нанометрового рельефов,соответственно.Рис.11. Влияние субмикронной топографии %z2 в точке внедрения первичного иона x − l xна коэффициент распыления в точке x в рамках каскадного механизма распыления [2].28Уравнения (9) и (10) представляют математическую модель эволюциюповерхностной топографии при ионном распылении поверхности. Уравнение (10)принадлежит к классу уравнений с отклоняющимся аргументом.
В рамках данноймодели развитие поверхностной топографии происходит только благодаря нелокальнойсвязи скорости понижения поверхности с ее рельефом, определяемой параметром l x . Приl x = 0 (10) преобразуется в ∂ %z / ∂ t = 0 , означающее прекращение какой-либо эволюциисубмикронной поверхностной топографии.Предложенный подход к моделированию эрозии поверхности твердых тел приионной бомбардировке приводит к известной детерминистской модели (9), дополненнойуравнением с отклоняющимся аргументом, имеющим волновое решение и описывающимэрозию топографии субмикронного масштаба.В работе приведен анализ решения уравнения (10).
Показано, что наличиенеоднородностей имеющих размер более 30 нм приводит к зарождению волнообразногорельефа.Экспериментальным подтверждением выводов, вытекающих из предложенноймодели, являются результаты изучения влияния созданной на поверхности исходнойтопографии на скорость зарождения ВР. Установлено, что неоднородности, созданные наповерхности Si различными способами, значительно уменьшают глубину зарождения ВРпри облучении Si ионами азота.Седьмая глава посвящена исследованию возможностей ионного распыления дляполучения поверхностных слоев с заданными свойствами.Былипроведеныперемешиваниянаэкспериментыграницепленкапоизучениюподложка.Вионно-стимулированногокачествеисходныхобразцовиспользовались пленки Ni толщиной 80, 120 и 200 нм на Al. Распыление образцов ионами80 кэВ Ar+ производилось при температурах мишеней от 20 до 370°С.
Анализ образцов insitu методом РОР показал, что нагрев образцов до 380°С не приводит к заметнойдиффузии атомов пленки и подложки и к образованию интерметаллических соединений.На рис.12 представлены данные о составе приповерхностного слоя, полученные изконцентрационных профилей, для пленок Ni толщиной 80 и 200 нм, подвергнутых ионнойбомбардировке при различных температурах. Видно, что облучение образцов при Т<300°С не приводит к заметной взаимной диффузии атомов пленки и подложки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
