Введение к работе
Актуальность темы
Ионно-лучевая обработка поверхности имеет многочисленные применения в современных микроэлектронных и оптоэлектронных технологиях, а также используется для модификации свойств конструкционных материалов. Технологические функции ионной бомбардировки разнообразны — микролитография, ионно-лучевая эпитаксия, леги-
рование, имплантация и пр. С развитием ионных технологий в значительной мере связаны перспективы создания новых материалов и тонких пленок с особыми свойствами.
Ионные пучки также широко используются при диагностике поверхности в практических и научных целях. В частности, ионное, травление (удаление материала поверхности в результате распыления при ионной бомбардировке) применяется для очистки исследуемой поверхности от загрязнений, а также используется как метод приготовления тонких фольг для доследующего анализа методом просвечивающей электронной микроскопии. Экспериментальные зависимости химического состава распыляемой поверхности от времени ионного травления, полученные методами вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) или электронной Оже-спектроскопии (ЭОС) - т.н. профили травления - после определенной перенормировки дают зависимость состава исследуемого материала от его глубины. Этот распространенный диагностический метод называют послойным анализом состава пленки с использованием ионного травления.
Перспективы, связываемые в настоящее время с развитием ионных технологий и методов диагностики, способствуют быстрому развитию физики взаимодействия ионных пучков с поверхностью [1-7]. Механизмы рассеяния ионов, выбивания атомов отдачи, каскадного перемешивания и распыления можно считать в общих чертах понятыми. В то же время, достаточно полного понимания неравновесных вторичных процессов, сопровождающих ионную бомбардировку, в настоящее время не достигнуто. Наименее изученным является изменение элементного состава и структуры материалов при продолжительной ионной бомбардировке, когда устанавливается динамический баланс содержания радиационных дефектов в приповерхностной области, и неравновесные ионно-стимулированные процессы проявляются наиболее полно. Как правило, режим динамического баланса достигается при удельных дозах облучения порядка 1017 ион/см2 и выше. Именно такие дозы облучения актуальны при послойном анализе материалов. Сопутствующее изменение состава материала приводит к систематическим ошибкам при анализе поверхности, для устранения которых необходимо изучить и понять закономерности изменения состава поверхности при ионной бомбардировке. Изменение состава и структуры, сопровождающее высокодозную ионную бомбардировку, также составляет основу ряда перспективных технологических процессов в микро-
электронике и триботехнологии; создание поверхностных слоев с модифицированными свойствами требует четкого понимания механизмов сложных неравновеспых процессов при лонной бомбардировке.
Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент дают широкие возможности для исследования физических механизмов ионно-стимулированной модификации свойств поверхности. Развитие новых моделей, описывающих изменение состава и структуры материалов при высокодозной ионной бомбардировке, и моделирование воздействия ионных пучков на свойства поверхности с целью ее модификации или диагностики является актуальным научным направлением в области взаимодействия ионных пучков с поверхностью.
Данная работа направлена на решение практических проблем, встречавшихся при использовании ионных пучков для распыления поверхности, и обсуждавшихся в литературе.
Целью работы является: 1) создание модели, описывающей изменение состава поверхности и приповерхностной области двухкомпо-нептиых материалов при высокодозной бомбардировке ионами кэВ-энергий при комнатной температуре и 2) исследование изменения элементного состава однородных двухкомпонентных материалов и слоистых систем под действием преимущественного распыления, каскадного перемешивания и процесса релаксации упругих напряжений, возникающих в результате каскадного перемешивания, при помощи модельных расчетов.
Работа проводилась в сотрудничестве с хорошо известными экспериментальными группами из Физико-технического Института им. А.Ф. Иоффе РАН (лаборатория С.Г.Конготкова, Санкт-Петербург); Научно-исследовательского Центра по изучению свойств поверхности и вакуума (группа В.И.Запорожченко, Москва); Института Макса Планка по исследованию металлов (S.Hofmann, Штуттгарт). Теоретическое обоснование ряда принципиальных результатов, полученных этими исследовательскими группами, составляет существенную часть работы. Ориентация на решение конкретных практических вопросов, возникающих при ионном травлепии поверхности, определила объект исследования: изменение состава поверхности технологически перспективных полупроводниковых материалов - силицидов переходных металлов и арсенида галлия при распылении ионами агрона кэВ-энергий при комнатной температуре.
Научная новизна.
-
Для моделирования распыления и каскадного перемешивания выведено новое кинетическое уравнение, описывающее линейные каскады парных столкновений в неупорядоченных твердых материалах с учетом корреляции положений соседних рассеивающих центров. Корреляция учитывается путем введения фиксированной длины пробега частиц каскада между столкновениями.
-
В теории ионно-стимулированного изменения состава поверхности впервые используется диффузионный механизм релаксации упругих напряжений, образованных каскадным переносом.
-
На основании результатов модельных расчетов обнаружен новый физический эффект - релаксационная сегрегация. Релаксационная сегрегация представляет собой процесс пространственного перераспределения компонентов материала под действием релаксационных потоков в поле упругих напряжений при высокодозной ионной бомбардировке. При ионной бомбардировке однородных двухкомпонент-ных материалов релаксационная сегрегация приводит к образованию максимума концентрации компонента, имеющего меньшую диффузионную подвижность, на глубине порядка средней протяженности каскадов столкновений.
-
Установлен характерный вид искажений формы профиля травления пленки Ta/Si/Ta/.... в результате образования силицида в областях каскадного перемешивания компонентов при послойном анализе. Исследовано влияние релаксационной сегрегации.на форму профилей травления слоистых структур.
5. Развита нелинейная модель типа "реакция-диффузия", объяс
няющая аномальное расширение измененного слоя в GaAs, наблюдав
шееся экспериментально, образованием бегущего фронта структурного
превращения. Установлен механизм образования волнообразных про
филей концентрации, наблюдавшихся в нарушенном слое GaAs.
6. При помощи модельных расчетов исследована зависимость отно
шения коэффициентов распыления компонентов бинарных материалов
от энергии, угла падения и массы ионов. Путем сравнения результатов
модельных расчетов и аналитических оценок в соответствии с теорией
Андерсена-Зигмунда определены пределы применимости теории.
Практическая ценность работы.
1. Развита комплексная модель, описывающая изменение состава
двухкомпопентных материалов в результате совместного воздействия
расшылепия, каскадного перемешивания и релаксационных процессов
при бомбардировке ионами кэВ-энергий при комнатной температуре.
На основе данной модели создан программный комплекс для моде
лирования записимостей концентрации компонентов от глубины в од
нородных материалах, профилей травления слоистых систем, а так
же упругих напряжений в приповерхностной области рассматриваемых
материалов. Программный комплекс включает модули, учитывающие
образование химических соединений при ионном травлении границ раз
дела, а также структурно-фазовые превращения, вызванные ионной
бомбардировкой.
-
Определена характерная для преимущественного распыления зависимость стационарного состава поверхности от энергии ионного пучка. Данная зависимость рекомендована как критерий для систематизации экспериментальных данных по изменению состава поверхности при распылении.
-
Для ряда силицидов переходных металлов определены отношения поверхпостных энергий связи компонентов. Полученные результаты необходимы при моделировании изменения состава поверхности при иопной бомбардировке в прктических и научных целях.
-
Исследовано влияние релаксационной сегрегации на стационарные зависимости концентрации от глубины при распылении двухком-понентных материалов, а также на профили травления слоистых пленок. Результаты исследования могут быть применены при интерпретации экспериментальных профилей травления с использованием методов ВИМС, ЭОС и РФЭС.
5. Показано, что образование химических соединений в областях
взаимного перемешивания компонентов при ионном травлении слои
стых пленок приводит к асимметричной форме профиля травления,
как наблюдалось при послойном анализе пленки Si/Ta/Si/... . Воз
можность такого артефакта должна учитываться при интерпретации
результатов послойного анализа границ раздела с использованием ион
ного травления.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Модель каскадов столкновений с фиксированной длиной пробега между столкновениями, известная как жидкостная [1], может быть представлена в виде нового кинетического уравнения. Новое кинетическое уравнение описывает линейные каскады упругих парных столкновений в неупорядоченной твердой мишени с учетом корреляции положений соседних рассеивающих центров.
-
Использование диффузионного механизма релаксации упругих напряжений в теории ионно-стимулированного изменения состава поверхности позволило создать новый теоретический подход. Новый подход а) объясняет основные экспериментальные результаты по изменению состава двухкомпонеитных материалов, вызванному бомбардировкой ионами кэВ-энергий при комнатной температуре и б) описывает образование уплотнений и упругих напряжений при высокодозной ионной бомбардировке.
-
Релаксационные потоки, возникающие в поле упругих напряжений при высокодозной ионной бомбардировке двухкомпонеитных материалов, приводят к обогащению уплотненной области мишени компонентом, имеющим меньшую диффузионную подвижность.
-
Образование химических соединений в областях взаимного перемешивания компонентов при ионном травлении многослойных пленок приводит к характерным асимметричным изломам профиля травления, подобным наблюдавшимся экспериментально при послойном анализе пленок Si/Ta/Si/... .
5. Аномальное расширение измененного слоя в GaAs при распы
лении ионными пучками высокой плотности связано с образованием
бегущего фронта структурного превращения, и описывается нелиней
ной моделью типа "реакция-диффузия", развитой в данной работе.
6. Эффект преимущественного распыления резко уменьшается при
увеличении энергии ионов от 0.1 кэВ до 2 кэВ для ионов Не+, Ne+, Аг+
иКг+, и от 0.1 кэВ до6кэВдляионовН+. В указанной области энергий
ионов аналитическая теория Андерсена-Зигмунда неприменима.
Публикации и апробация работы По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 21 статья, 2 препринта ИПМ им.М.В.Келды-ша РАН, и 15 тезисов докладов. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
— Конференция "Взаимодействие ионов с поверхностью" ВИП-91,
ВИП-93, ВИП-95, ВИП-97 (Москва);
Конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами 1995, 1996 и 1997 гг (Москва);
Конференция "Взаимодействие излучений с твердым телом" ВИТТ-95 (Минск);
Международная конференция по количественному анализу поверхности QSA-94 (Гилдфорд, Великобритания);
Международная конференция по анализу поверхностей и границ раздела ECASIA-95 (Монтре, Швейцария);
Международная конференция по компьютерному моделированию радиационных эффектов в твердых телах COSIRES-96 (Гилдфорд, Великобритания) .
Структура и объем диссертации Диссертация включает введение, семь глав и заключение; содержит 176 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 107 рисунков и список литературы из 258 наименований. Общий объем диссертации 302 страницы.
