Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
В последние десятилетия ионная имплантация является неотъемлемой частью практически любого микроэлектронного производства. Столь широкое распространение эта технология получила благодаря своим преимуществам по сравнению с другими способами введения легирующей примеси. Перспективным является использование ионной модификации материалов для наноэлектроники.
Хорошо известно, что бомбардировка ускоренными ионами неизбежно ведет к образованию радиационных дефектов. Для большинства практических применений этот эффект является существенным недостатком. Однако, в ряде случаев оказывается удобно модифицировать свойства твердого тела контролируемым введением радиационных дефектов.
Процессы дефектообразования в различных материалах при ионном внедрении интенсивно исследуются в течение многих лет. Наиболее детально механизмы дефектообразова- ния изучены в кремнии при облучении атомарными ионами. Однако, в последнее время все больший интерес проявляется к внедрению молекулярных и кластерных ионов. Подобные ионы удобны для создания сверхмелких p-n-переходов, модификации и анализа приповерхностных слоев, поэтому исследования радиационного повреждения при имплантации молекулярных/кластерных ионов весьма актуальны.
При внедрении молекулярных/кластерных ионов наблюдается так называемый молекулярный эффект (МЭ), суть которого состоит в том, что эффективность ряда явлений в расчете на один упавший атом может существенно отличаться при облучении в эквивалентных условиях атомарными и молекулярными ионами. МЭ может возникать, в частности, и в накоплении структурных нарушений. Это связано с тем, что при внедрении молекулярных ионов плотность каскадов столкновений повышается вследствие перекрытия каскадов, создаваемых компонентами молекулы. Действительно, плотность каскадов столкновений является одним из основных параметров ионной бомбардировки, влияющим на характер накопления дефектов в целом, и, как следствие, определяющим механизм МЭ. На момент начала работы над диссертацией МЭ в накоплении дефектов в кремнии был изучен лишь для отдельных условий имплантации, т.е. для конкретных значений энергий, плотностей потоков ионов, температур мишени и т.д. В то время как изменение этих параметров может существенно изменять характер накопления структурных нарушений.
Изменение структуры приповерхностных слоев твердых тел и распыление при ионной бомбардировке может приводить к изменению топографии поверхности, а в некоторых случаях и к свеллингу (распуханию) модифицированного слоя. Эти эффекты практически отсутствуют в кремнии, но существенны в перспективном для опто- и СВЧ-электроники, а также электроники больших мощностей материале - нитриде галлия. Однако, на момент начала данной работы данные по изучению данного эффекта при облучении GaN молекулярными/кластерными ионами отсутствовали.
Ионная имплантация позволяет не только модифицировать электрические свойства полупроводников, но и изменять механические характеристики материалов, такие как внутренние механические напряжения (ВМН), твердость, коэффициент трения и т.д. Этот эффект может быть интересен для тонких пленок для контроля остаточных напряжений. Примером таких пленок являются тонкие пленки алмазоподобного углерода (a-QH, DLC). ВМН ограничивают применение данного материала, поэтому управление напряжениями является актуальной на сегодняшний день задачей. Известных из литературы работ по влиянию ионной бомбардировки на ВМН в DLC пленках очень мало. При этом вообще отсутствуют данные по облучению молекулярными ионами. Сказанное делает эту область исследований весьма привлекательной.
Цели и задачи работы
Изучение закономерностей накопления структурных нарушений и эффективности молекулярного эффекта при облучении кремния молекулярными ионами в широком диапазоне энергий
Исследование изменения топографии поверхности и толщины модифицируемых слоев нитрида галлия под действием бомбардировки молекулярными и атомарными ионами
Изучение влияния ионного облучения, в том числе и молекулярными ионами, на внутренние механические напряжения и другие свойства тонких алмазоподобных углеродных пленок.
Научная новизна диссертационной работы
Получен значительный объем экспериментальных данных по накоплению структурных нарушений в кремнии при облучении молекулярными ионами различных энергий. Определен характер накопления устойчивых дефектов для различных энергий ионов. Экспериментально обнаружено, что зависимость эффективности интегрального МЭ в кремнии от энергии является монотонно спадающей функцией в диапазоне энергий 0.6-3.2 кэВ/а.е.м. Рассмотрены механизмы, ответственные за подобное поведение МЭ.
Впервые обнаружен молекулярный эффект в развитии топографии поверхности нитрида галлия и ее сдвиге при облучении молекулярными ионами. Установлено, что увеличение плотности каскадов столкновений при переходе от облучения атомарными ионами P+ к облучению молекулярными ионами PF2+ и PF4+ приводит к существенному росту шероховатости поверхности и переходу от свеллинга к уменьшению толщины GaN за счет усиления ионного распыления поверхности. Показано, что каскадные эффекты в росте шероховатости поверхности на начальном этапе облучения определяются зависимостью скорости роста поверхностных аморфных слоёв от плотности смещений в каскадах. Обнаружено «аномальное» поведение измеряемых параметров при облучении ионами F+. Разработана качественная модель, объясняющая эти эффекты.
Исследована зависимость внутренних механических напряжений в алмазоподобных пленках от дозы ионов при их облучении различными ионами, в том числе и молекулярными. Обнаружено, что кривая изменения внутренних механических напряжений является универсальной в зависимости от количества смещений, вводимых при ионной бомбардировке.
Установлен значительный свеллинг и структурные изменения в алмазоподобных пленках под действием облучения.
Научная и практическая значимость работы
Результаты, полученные в работе могут найти применение при использовании ионных пучков для модификации свойств различных материалов. В частности, для предсказания уровня повреждения кремния при имплантации молекулярных ионов различных энергий. Учет изменения топографии поверхности и изменение толщины облученных слоев необходим при изготовлении приборов на основе нитрида галлия. Наконец, ионная имплантация является эффективным средством изменения внутренних механических напряжений, возникающих в тонких алмазоподобных пленках. Полученная универсальная зависимость позволяет предсказывать изменение напряжений для различных условий ионного облучения.
В целом, полученные экспериментальные данные и выводы из материалов диссертации являются основой для дальнейшего развития теоретических представлений о механизмах модификации приповерхностных слоёв облучением молекулярными ионами средних энергий.
Методологической основой исследования являются подходы, развитые в многочисленных научных трудах по вопросам взаимодействия ускоренных ионов с веществом. В качестве экспериментальных методов использовались такие хорошо разработанные методики, как ионная имплантация, методы спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния, атомно- силовая микроскопия и интерферометрия в видимом свете. Теоретические методы, используемые в работе, основаны на системном подходе к проведению исследований и анализу получаемых результатов.
Достоверность результатов и выводов работы обусловлена тщательной разработкой методики ионного облучения и анализа изменений свойств облученных объектов, использованием современных методов измерений параметров модифицированных слоёв, точностью и аккуратность проведения экспериментов, а также соответствием выводов современным теоретическим представлениям. Результаты не противоречат литературным данным в тех случаях, когда сопоставление возможно.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Результаты экспериментального исследования распределений структурных нарушений в кремнии по глубине. Облучение Si ионами PF4+ приводит к сильному молекулярному эффекту, эффективность которого с ростом энергии спадает для интегрального числа структурных нарушений.
-
Оценка глубин проявления молекулярного эффекта в кремнии в результате формирования нелинейных энергетических пиков в каскадах смещений и нелинейного образования кластеров устойчивых нарушений.
-
Увеличение плотности каскадов столкновений бомбардирующих ионов при прочих равных условиях приводит к росту шероховатости поверхности нитрида галлия, который коррелирует с образованием поверхностного аморфного слоя.
-
Изменения толщины модифицируемого ионами приповерхностного слоя GaN существенно зависит от плотности каскадов смещений. В результате конкуренции свеллинга и ионного распыления при облучении GaN атомарными ионами преобладает его распухание, а при переходе к молекулярным ионам - распыление.
-
Зависимость изменения внутренних механических напряжений в алмазоподобных пленках от дозы облучения, выраженной в количестве смещений, вводимых в области максимума упругих потерь энергии при имплантации, носит универсальный характер, то есть не зависит от типа ионов.
-
Рост плотности каскадов смещений в DLC пленках приводит к изменению кинетики свеллинга и изменению абсолютных значений соотношения sp3 и sp2 связей.
Публикации и апробация работы
Основные результаты, содержащиеся в работе, докладывались и обсуждались на 2 Всероссийских и 16 Международных конференциях:
XXXIX, XL, XLI Международные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 2009, 2010, 2011), конференции европейского материаловед- ческого общества E-MRS (Strasbourg, France 2009, 2011, 2012), XIX, XX Международные конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород 2009, 2011), 15th International conference on Radiation Effects in Insulators (Padova, Italy 2009), 18th International Conference on Ion Implantation Technology (Kyoto, Japan 2010), 24th, 25th International Conference on Atomic Collisions in Solids (Krakow, Poland 2010, Kyoto, Japan, 2012), VII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С.Петербург 2010), 11th European Vacuum Conference and 6th European Topical Conference on Hard Coatings (Salamanca, Spain 2010), 5th International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials (Reims, France 2010), III, IV Всероссийские конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород 2010, Новосибирск 2012), IX Международная конференция и VII Школа молодых ученых «Кремний 2012» (Санкт-Петербург 2012).
Основное содержание работы отражено в 33 печатных работах, в том числе в 6 статьях в журналах из списка ВАК и 3 статьях в трудах конференций. Список основных опубликованных работ представлен в конце автореферата.
Личный вклад автора
Основные научные результаты работы получены автором лично. Экспериментальные данные получены как лично самим автором, так и его коллегами при личном участии автора в их планировании. Обработка и анализ экспериментальных данных выполнялся самим автором, а также и его коллегами при активном участии автора во всех обсуждениях. Теоретические обоснования разрабатывались совместно с научным руководителем.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 131 страниц, 45 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 124 наименования.
Похожие диссертации на Модификация приповерхностных слоев Si, GaN и -C:H облучением ионами PFn средних энергий
-
