Введение к работе
Актуальность темы. Методы ионно-лучевой обработки материалов в последние десятилетия приобретают все большую роль в современной науке и новых технологиях. Ионно-лучевой синтез (ИЛС), основанный на использовании режима высоко-дозной ионной имплантации (ИИ), но сравнению с традиционными методами получения новых фаз обладает рядом существенных потенциальных преимуществ, среди которых следует выделить следующие: чистота процесса; возможность получения однородной атомной смеси строго контролируемого состава; возможность внедрения ионов на локальных участках мишени и получения заглубленных слоев и многослойных систем, что позволяет эффективно управлять различными физическими и химическими свойствами приповерхностных слоев; возможность проведения имплантации практически при любых доступных температурах, включая низкие; высокая адгезия имплантированных слоев к подложке; высокая воспроизводимость результатов и др.
Такие преимущества открывают широкие перспективы методу ионного синтеза для решения как прикладных, так и чисто научных задач. В промышленности метод уже успешно используется в микроэлектронике (получение различных диэлектрических и полупроводниковых слоев), металловедении - для модификации физических и физико-химических свойств поверхности (увеличение износостойкости, микротвердости, коррозионной и термической стойкости и т.п.), магнитооптике, оптоэлектронике и многих других областях науки и техники. Интерес с научной точки зрения обусловлен тем обстоятельством, что метод ИЛС позволяет
изучать термодинамику неравновесных процессов, а также механизмы зарождения и роста новых фаз в различных твердых телах в зависимости как от состояния и структуры исходной матрицы (монокристаллы, поликристаллы, аморфные матрицы, полимеры и т.п.), так и от режимов и условий синтеза. При этом имеются уникальные возможности прецизионной доставки необходимой компоненты к области синтеза, а также проведения химической реакции при низких температурах всего образца.
Однако, несмотря на большой научный и практический интерес к ионному синтезу, за исключением обзорных докладов на научных конференциях и симпозиумах, обобщающих работ и монографий в этой области до сих пор практически нет. Между тем, многие важные аспекты этого сложного физического процесса к моменту начала данной диссертационной работы оставались либо не изученными, либо дискуссионными. В первую очередь это касается вопросов зарождения и роста новой фазы, механизмов и основных закономерностей ионного синтеза.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы являлось комплексное экспериментальное исследование процессов зарождения и роста новых фаз в различных неметаллических матрицах, протекающих при имплантации быстрых ионов в режиме ионного синтеза, для установления основных закономерностей и особенностей этого неравновесного физического процесса, а также изучение возможностей применения ионного синтеза для формирования тонких субмикронных слоев различных химических соединений для микро- и наноэлектроники, оптики, магнитооптики и других областей науки и техники.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.
-
Установлены и систематизированы основные закономерности и особенности ИЛС в неметаллических матрицах.
-
Впервые методом ионного синтеза в неметаллах сформированы топкие ферромагнитные пленки с высокой температурой Кюри.
-
Впервые предложен и изучен ионный синтез сложных силицидов при одновременной имплантации различных ионов в кремний.
-
Исследовано влияние формы синтезированных частиц новой фазы и их распределения по размерам на магнитные и электрические свойства полученных пленок.
-
Методом ИЛС без какой-либо дополнительной энергетической обработки получены высококачественные мезотаксиальные слои силицидов в кремнии.
-
Получены методом ионного синтеза и исследованы тонкие элитаксиальные ВТСП пленки УВа2Сиз07.
-
Обнаружен и объяснен эффект аномального распределения атомов железа при одновременной имплантации ионов Со+ и Fe+ в кремний.
-
Для кремния, бомбардированного ионами с массой Мі > 30, обнаружено явление аномально высокого распухания, обусловленное радиационно - стимулированным порообразованием.
-
Обнаружен и объяснен эффект значительного уменьшения коэффициента отражения света в видимом и ближнем ИК диапазоне для некоторых полупроводников и диэлектриков.
Практическая ценность работы заключается в изучении и установлении оптимальных режимов и условий ионного синтеза различных соединений в неметаллических матрицах. Тонкие ионносинтезированиые слои могут быть использованы в разных областях науки и техники: в микро- и наноэлектронике для создания контактов и проводящих дорожек, для магнитной и магнитооптической записи и хранения информации, для получения антиотражающих покрытий в оптике, для формирования полупроводниковых материалов с регулируемой шириной запрещенной зоны и т.п. На основании проведенных исследований получено шесть авторских свидетельств на новые способы получения тонких пленок в неметаллах. Кроме того, практической ценностью данной работы является включение материала некоторых глав в специальный курс лекций по «Радиационной физике твердого тела», читаемый автором в течение ряда лет на физическом факультете Казанского государственного университета.
Ряд результатов исследований, проведенных в рамках диссертационной работы и посвященных получению методом ИЛС и изучению тонких пленок ферромагнитных силицидов в кремнии, были включены в Перечень важнейших достижений ио АН СССР в области естественных наук.
Положения, выносимые на защиту.
1. Фазовый состав и кристаллическая структура ионносинтезируемых пленок определяются в значительной степени сходством со структурой исходной матрицы. Наибольшее влияние на ионный синтез оказывают температура образца во время имплантации и плотность потока ионов, меньшее - энергия и доза.
-
Имплантацией ионов Зсі-металлов в неметаллические матрицы при определенных режимах могут быть синтезированы тонкие ферромагнитные слои. Фазовый состав ферромагнитных пленок определяется режимами имплантации и исходной мишенью, они могут состоять как из ферромагнитных химических соединений (например, некоторые силициды в кремнии), так и из частиц внедренного металла (например, a-Fe, Со в полимерах и Si02).
-
Ионносинтезировашше фазы формируются в мелкодисперсном виде. Форма, размер и распределение частиц по размерам определяют магнитные (суперпарамагнетизм, анизотропия сигнала ФМР) и электрические (аномальная температурная зависимость проводимости) свойства синтезированных пленок.
-
Одновременная имплантация ионов 3<і-металлов с близкими массами позволяет сформировать твердые полупроводниковые растворы с регулируемой шириной запрещенной зоны.
-
Аномальное (бимодальное) распределение атомов железа по глубине при одновременной имплантации ионов Fe+ и Со+ в кремний с преобладанием кобальта обусловлено разницей в энергии образования силицидов Со и Fe, большей концентрацией атомов Со, высокой скоростью диффузии атомов Зсі-алементов в кремнии и наличием эффективных стоков на передней и задней границах профиля распределения.
-
При ИС ВТСП соединений типа «1-2-3» нанесение тонкого антидиффузионного защитного покрытия позволяет достичь стехиометрического состава и синтезировать в определенном узком температурном диапазоне орторомбическую эпитаксиальную сверхпроводящую пленку.
-
Аномально высокое распухание неметаллических мишсией при высокодозной имплантации обусловлено образованием крупных радиационных вакансионных комплексов (вплоть до микропор).
-
Формирование сильно развитого колончатого микрорельефа поверхности при больших дозах облучения и связанное с этим существенное уменьшение коэффициента отражения в видимом и ближнем ИК диапазоне обусловлено совместным действием ионного распыления, вакансионного порообразования и синтеза мелкодисперсных вторичных фаз.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1-63], включая 6 авторских свидетельств па изобретение. Результаты работы докладывались на следующих Международных конференциях: Рабочих совещаниях по ионной имплантации (Прага, 1981; Балатоналига, 1985); 7-й конференции по ионной имплантации в полупроводниках и других материалах (Вильнюс, 1983); Советско-немецких симпозиумах по микроэлектронике (Москва, 1984; Минск, 1988); Конференции но модификации материалов энергетическими и импульсными пучками частиц (Дрезден, 1987); Советско-Венгерской научной сессии по микроэлектронике (Будапешт, 1988); Конференции по ионной имплантации (Люблин, 1988); 3-й конференции ЕРМ'89 (Дрезден, 1989); Конференции по ионной имплантации и ионно-лучевому оборудованию (Элените, 1990); Конференции MRS-93 (Бостон, 1993); Симпозиуме но теоретической физике «Коуровка-94» (Коуровка, 1994); XXVII Конгрессе AMPERE (Казань, 1994); 14-м Коллоквиуме по магнитным пленкам и поверхностям (Дюссельдорф, 1994); Конференции MRS-95 (Сан-Франциско,
1995); X Конференции ІВММ-96 (Альбукерк, 1996); 5-й Конференции по материалам и механизмам сверхпроводимости и высокотемпературным сверхпроводникам (Пекин, 1997).
На Всесоюзных и Всероссийских конференциях: XI, XII, XIII, XVIII, XIX, XX, XXI Совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1981, 1982, 1983, 1988, 1989, 1990, 1991); VI, VII, IX Конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (Минск, 1981; Минск, 1984; Москва, 1990); V Отраслевой научно-технической конференции по тонким пленкам в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (Нальчик, 1983); Конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах (Казань, 1984); Конференции по радиационной физике полупроводников и родственных материалов (Ташкент, 1984); VII Конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1986); ХШ Семинаре по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1987); Конференции по ионно-лученой модификации материалов (Черноголовка, 1987); I Конференции по физическим и физико-химическим основам микроэлектроники (Вильнюс, 1987); XII Научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987); I Совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1988); Конференции по ионно-лучевой модификации материалов (Каунас, 1989); V Семинаре по методам получения силицидов и материалов на их основе (Чернигов, 1989); Конференции по электронной микроскопии (Суздаль, 1990); Конференции по прикладной мессбауровской спектроскопии (Казань, 1990); Конференции по ионно-лучевой модификации полупроводников и
других материалов (Новосибирск, 1991); X Конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 1991); I, II, Ш Семинарах по физико-химическим основам иошю-лучевой модификации твердых тел (Нижний Новгород, 1992, 1993, 1996); I Конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993); Конференции Микроэлектроника-94 (Звенигород, 1994); Второй научно-технической конференции по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (Дивноморское, 1995); Научной конференции по структуре и свойствам кристаллических и аморфных материалов (Нижний Новгород, 1996), а также на различных региональных конференциях.
Структура и объем диссертации.
Структурно диссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав, заключения, авторского списка литературы, списка цитированной литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на 311 страницах, включая 90 рисунков, 15 таблиц , список цитированной литературы из 243 наименований и авторский список из 63 наименований.
