Введение к работе
I. Актуальность.
В настоящее время процессы связанные с ионным облучением
материалов часто встречаются и широко применяются в таких
областях науки, как физика плазмы, экспериментальная физика
твердого тела и микроэлектроника. В качестве одного из наиболее
распространенных примеров следует назвать ионные потоки в плазме,
которые могут бомбардировать окружающие плазму материалы. Это
происходит, например, в термоядерном реакторе при взаимодействии
реакторной плазмы с первой стенкой. Также среди сфер применения
ионного облучения можно назвать: выращивание материалов и
гетероструктур при помощи технологий, основанных на ионном
облучении (например, молекудярно-пучковая эпитаксия, различные
методы осаждения), создание и модификация свойств
полупроводниковых гетероструктур посредством ионной
имплантации, исследование и диагностика материалов и гетероструктур (например, ионное профилирование, резерфордовское рассеяние). Естественно, что при столь обширном практическом применении ионного облучения возникает необходимость в надежной теоретической базе, позволяющей описывать происходящие при облучении процессы и рассчитывать их результаты. Такая теоретическая база должна включать в себя как метод описания ионного облучения, так и значения ряда фундаментальных параметров материалов, без знания которых невозможен достаточно точный количественный расчет результатов взаимодействия данного типа ионов с конкретным материалом. Существующие в настоящее время аналитические методы к сожалению не могут быть применены к описанию процессов высокодозпого облучения, тогда как большинство из перечисленных областей практического применения
имеет дело с высокими дозами ионов. Поэтому, актуальными при описании ионного облучения материалов, и совершенно незаменимыми на сегодняшний день в случае высоких доз, являются методы компьютерного моделирования. Кроме того, бурное развитие компьютерной техники в последние годы привело к тому, что теперь эти методы являются достаточно эффективными с точки зрения затрат машинного времени для получения результата. Однако, при всей перспективности, область компьютерного моделирования процессов высокодозного облучения освоена еще недостаточно хорошо, и здесь имеется ряд пробелов.
Следует отметить также, что вследствие интенсивного развития полупроводниковых технологий, исследователи зачастую имеют дело не с простыми однородными материалами, а со сложными многокомпонентными и многослойными структурами. Это дополнительно усложняет задачу теоретического описания и моделирования процесса ионного облучения материала, однако, корректный учет многокомполентности и многослойности является необходимым.
Из всего вышесказанного следует, что данная работа, направленная на разработку физической модели и методики компьютерного моделирования, а также на разработку методики определения значений таких физических характеристик как пороговые энергии смещения примесных атомов, является актуальной.
II. Цели работы:
-
Разработка физической модели и методики моделирования динамического изменения состава многокомпонентной многослойной мишени при высокодозном ионном облучении;
-
Создание основ комплексной расчетно-экспериментальной методики анализа профилей состава многокомпонентных гетероструктур;
-
Разработка комплексной расчетно-экспериментальной методики определения значений пороговых энергий смещения примесных
атомных компонент в многокомпонентных материалах;
4. Определение пороговых энергий смещения некоторых примесных атомных компонент в арсениде галлия.
III. Научная новизна работы:
-
Впервые разработана модель высокодозного ионного облучения многокомпонентных многослойных материалов с учетом процессов накопления и рекомбинации точечных радиационных дефектов (вакансий и межузельных атомов);
-
Впервые в разработанной модели рассмотрен полный набор характерных энергетических параметров материала (энергий связи, пороговых энергий смещения, поверхностных энергетических барьеров), которые могут быть заданы индивидуально для каждой атомной компоненты и в каждом слое облучаемой мишени, что позволяет корректно производить одновременное описание процессов дефектообразования и распыления;
-
Впервые разработаны основы комплексной расчетно-экспериментальной методика анализа профилей состава многокомпонентных гетер о структур;
-
Впервые разработана комплексная расчетно-экспериментальной методика определения пороговых энергий смещения примесных атомных компонент в многокомпонентных материалах;
-
Определены неизвестные ранее значения пороговых энергий смещения примесных атомов А1 и In в матрице GaAs.
IV. Практическая ценность.
Разработанная методика компьютерного моделирования и созданная на ее основе динамическая программа DYTRIRS могут быть
использованы для решения широкого круга задач, связанных с модификацией состава слоистых материалов при высокодозном ионном облучении, например, таких как высокодозная имплантация, ионное травление, высокодозное распыление материалов. Применение программы DYTRIRS дает возможность прогнозировать результаты воздействия ионного пучка на материал, а также помогает в объяснении и трактовке уже имеющихся экспериментальных результатов. При решении задач связанных с высокодозным облучением особенно эффективным является объединение компьютерного моделирования и экспериментальных возможностей. В частности, разработанная и оттестированная программа DYTRIRS совместно с экспериментальным методом ВИМС-профилирования многокомпонентной слоистой мишени позволяют определять баллистический вклад в экспериментально измеряемый профиль состава.
Разработанная расчетко-экспериментальная методика
определения таких важных характеристик дефектообразования, как пороговые энергии смещения для примесных атомов в многокомпонентных материалах, позволяет определять их значения в конкретных материалах. Найденные значения могут использоваться как для проведения компьютерных расчетов, так и в аналитических исследованиях процессов дефектообразования.
V. Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Исследовательском Центре Россендорф (Германия), Техническом Университете Дрездена (Германия), Техническом Университете Ильменау (Германия), а также на следующих конференциях и совещаниях:
XXIV Межнациональное Совещание по Физике Взаимодействия Заряженных Частице Кристаллами, 1994 (30.05-01.06), Москва, Россия; Ninth International School on Vacuum, Electron and Ion Technologies (VEIT'95), 1995 (14-18.09), Sozopol, Bulgaria; Seventh International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-7), 1995 (25-29.09),
Обнинск, Россия; Tenth International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM-96), 1996 (01-06.09), Albuquerque, New Mexico, USA; III Всероссийский Семинар "Физические и Физико-Химические Основы Ионной Имплантации", 1996 (24-26.09), Нижний Новгород, Россия; Петербургские Чтения по Проблемам Прочности, 1997 (11-13.03), С.-Петербург, Россия; Второй Международный Уральский Семинар "Радиационная Физика Металлов и Сплавов", 1997 (23.02-01.03), Снежинск, Россия; International Workshop on New Approaches to Hi-Tech Materials 97; Nondestructive Testing and Computer Simulations in Material Science and Engineering (NDTCS-97), 1997 (09-13.06), Санкт-Петербург, Россия; International Conference on Silicon Carbide, Ш-nitrides and Related Materials - 1997 (ICSCHI-N'97), 1997 (31.08-05.09), Stockholm, Sweden; 13th International Conference on Ion-Surface Interactions (ISI-97), 1997 (01-05.09), Звенигород, Россия.
По материалам диссертационной работы опубликовано и принято в печать 9 статей в российских и зарубежных периодических изданиях. Также материалы представлены в виде тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях и совещаниях. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
VI. Основные положения, выносимые на защиту:
-
Модельное описание и методика компьютерного моделирования динамического изменения состава многокомпонентного слоистого материала при высокодозном ионном облучении;
-
Основы расчетно-экспериментальной методики определения профилей состава гетер о структур методом ионного профилирования;
-
Расчетно-экспериментальная методика определения пороговых энергий смещения примесных атомных компонент в многокомпонентных материалах;
-
Количественные значения пороговых энергий смещения примесных
атомов А1 и In в матрице GaAs.
VII. Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 114 ссылок. Объем диссертации составляет 129 страниц, включая 1 таблицу и 36 рисунков.