Введение к работе
15 5 5b
Актуальность темы.
Исследование вопросов радиационного воздействия на твердое тело представляет интерес, как с научной, так и с практической точек зрения. Практическая значимость исследований связана с применением процессов ионно-лучевой обработки материалов в технологии производства изделий электронной техники и при модификации свойств поверхности материалов. Научный интерес связан с дальнейшим развитием радиационной физики твердого тела. Использование ионных пучков позволяет осуществлять легирование полупроводников методом ионной имплантации и имплантации атомов отдачи, стимулировать процессы взаимопроникновения атомов при обработке многослойных структур и процессы диффузии атомов, ионное травление и очистку поверхности полупроводников, ионно-ассистированное нанесение тонких пленок и ионно-лучевую литографию. По мере уменьшения размеров активных элементов ИС процессы ионно-лучевой обработки полупроводниковых кристаллов становятся все более чувствительными к изменению технологических параметров. Достигнут тот уровень, при котором чисто экспериментальный подход к оптимизации технологии ИС стал совершенно неприемлем. Ужесточение требований к технологическим допускам требует лучшего понимания физики процессов ионно-лучевой обработки и также количественного описания влияния технологических параметров на результаты процессов, для минимизации роли статистических флуктуации. Одним из основных радиационных эффектов при облучении материалов является процесс торможения ускоренных частиц в веществе, обуславливающий, в свою очередь, процессы дефектообразования и миграции выбитых атомов мишени. Радиационное воздействие оказывает влияние на протекание диффузионных процессов в твердом теле. С характером протекания вышеизложенных процессов связано целенаправленное изменение свойств материалов. Деградация материалов в условиях облучения также связана с протеканием диффузионных процессов.
Степень освоения радиационных методов обработки материалов в микроэлектронной технологии и металлургии определяется пониманием физической сущности прфВ9Ш?Во H№WJc ме-
БНБЛПОТЕКА С. Петербург ОЭ JOOf
сто при взаимодействии ускоренных частиц с кристаллами, с одной стороны, наличием достаточно адекватного математического описания и методов моделирования процессов миграции, с другой стороны.
Теоретическому исследованию миграции атомов в твердом теле при радиационных воздействиях уделяется достаточно много внимания. Однако, используемые при этом методы и приближения не позволяют описать взаимосвязь диффузионных процессов в зависимости от энергии и типа ускоренных частиц. В связи с этим одной из основных задач является не только количественное описание процессов миграции, но и формулировка теоретических методов, позволяющих описать эти процессы с единой позиции.
В диссертационной работе рассматривается теория миграции атомов в условиях облучения. Процедура вывода кинетических уравнений, описывающих миграции, позволяет определить границы применимости разработанных математических моделей. Полученные расчетные соотношения позволяют оценить эффективность стимулирования миграции в условиях облучения, как легкими, так и тяжелыми частицами в широком диапазоне энергий. Рассмотрено также влияние вторичных процессов (каскады соударений, ионизация, возникновение упругих волн) на миграцию атомов.
Цель работы. Разработка количественной теории миграции атомов примеси в поверхностных слоях, обусловленной упругим взаимодействием с ускоренными частицами в процессе ионно-лучевой обработки твердых тел
Основные задачи работы
Вывод кинетического уравнения, описывающего миграцию атомов в твердых телах при ионно-лучевом воздействии.
Исследование механизмов и кинетики миграции атомов при ионно-лучевой обработке материалов.
Разработка методов расчета распределения концентрации атомов по глубине при имплантации методом атомов отдачи и при ионно-лучевом перемешивании.
Научная новизна.
1. Выведено кинетическое уравнение, наиболее полно и точ
но описывающее миграцию атомов в процессе воздействия пуч
ков ускоренных ионов на твердые тела, которое позволяет:
используя статистический подход к описанию процессов миграции атомов на основе цепочки уравнений Боголюбова определить пределы его применимости;
аргументировано ввести в кинетическое уравнение составляющую, описывающую релаксацию рещетки;
рассчитывать профили распределения атомов примеси применительно к задачам, связанным с использованием ионных пучков при модификации поверхности твердых тел;
обосновать динамические алгоритмы моделирования процесса миграции атомов методом Монте-Карло;
учесть роль близких и далеких смещений атомов в формировании профиля внедренных атомов отдачи.
Впервые исследована кинетика миграции атомов в полупроводниковых материалах с учетом действия первичного и каскадного потоков, их углового распределения и энергетического спектра, разработаны методы расчета и рассчитаны функция атомного смещения, коэффициенты дрейфа и диффузии, установлен вклад первичного и каскадного потоков в величину коэффициента диффузии, исследована неизотропность процесса миграции атомов и пространственная зависимость коэффициента диффузии.
Показано, что при низкоэнергетических воздействиях наряду с известным ранее вакансионным механизмом радиационно-стимулированной диффузии стимулирование миграции может быть обусловлено и возрастанием частоты перескоков атомов через потенциальный барьер вследствие непосредственной передачи энергии диффузанту от налетающих частиц. Рассмотрено совместное действие механизмов радиационно-стимулированной и термической диффузии.
Выявлены и количественно описаны механизмы, ограничивающие предельную растворимость атомов, обусловленные возникновением дрейфовой составляющей потока под действием поля упругих напряжений и возникновением пластического потока в случаях когда суммарная концетрация атомов отклоняется от равновесной.
5. Впервые рассмотрена кинетика смещения фазовой границы раздела при формировании интерметаллидов в случае совместного действия баллистического и диффузонного механизмов миграции атомов.
Основные положения, выносимые на защиту:
на основе системы уравнений Больцмана с использованием метода функции Грина выведено кинетическое уравнение, описывающее процесс миграции атомов отдачи. Для решения уравнения предложены приближение однократного взаимодействия, диффузионное и итерированное диффузионное приближение;
в случае, когда энергия, переданная от налетающих частиц атомам примеси, выше барьера миграции, значение коэффициента диффузии рассчитывается с учетом распределения пробегов атомов при элементарном акте взаимодействия, энергетического спектра налетающих частиц и вероятности передачи энергии. Вклад в стимулирование миграции обуславливается как первичным потоком ионов, так и вторичным потоком атомов мишени, образовавшегося в результате каскадных процессов. Эффективность стимулирования миграции возрастает с увеличением массы и энергии налетающих частиц. При облучении частицами массой меньшей, чем атомы мишени, миграция обусловлена каскадными процессами;
в случае, когда энергия, переданная атомам примеси, ниже порога миграции, имеет место увеличение частоты диффузионных перескоков вследствие отклонения функции распределения атомов от равновесной. Примесному атому энергия передается как непосредственно от налетающих частиц, так и посредством возбуждения окружающих атомов;
процесс имплантации атомов отдачи описывается кинетическим уравнением, которое может быть решено с использованием приближения однократного взаимодействия и итерированного приближения Фоккера-Планка. При небольших дозах облучения двухслойных систем процесс описывается в приближении однократного взаимодействия налетающих ионов с атомами отдачи. С увеличением дозы облучения при описании процесса необходимо учитывать миграцию внедренных атомов отдачи вследствие последующих столкновений с налетающими частицами;
процесс ионно-лучевого перемешивания описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений диффузионного типа. Концентрационная зависимость коэффициента диффузии связана с миграцией атомов в неоднородных мишенях при элементарном акте их взаимодействия с налетающими ионами. Пределы растворимости и истощения атомов при перемешивании связаны с концентрационной зависимостью коэффициентов диффузии и возникновением упругих напряжений;
в процессе ионного перемешивания в системе, имеющей фазу интерметаллида, рост интерметаллического слоя обусловлен диффузионным механизмом взаимпроникновения атомов. Процессы баллистического перемешивания приводят к размытию границы раздела фаз;
при радиационно-стимулированной диффузии в диффузионной зоне можно выделить две области: эффективная область ускорения диффузии и область термодиффузии. Глубина области ускорения диффузии зависит от коэффициентов ускоренной диффузии и диффузионной длины радиационных дефектов.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты можно использовать при моделировании процессов ионной имплантации, имплантации атомов отдачи и ионно-лучевого перемешивания и при разработке систем автоматизированного проектирования процессов легирования полупроводников и модификации поверхности твердых тел с использованием ионных пучков.
Результаты теоретического анализа процессов, имеющих место при облучении твердых тел позволяют глубже понять механизмы миграции атомов и представляют собой дальнейшее развитие радиационной физики твердого тела. Результаты и методы решения задач о миграции атомов под действием облучения позволяют решать широкий круг научных и практических вопросов в области физики твердого тела и материаловедения.
Полученные в работе кинетические уравнения и предложенные методы их решений позволяют решать широкий круг вопросов, связанных с описанием кинетики миграции атомов под действием облучения, распределения концентрации атомов при имплантации методом атомов отдачи, ионно-лучевого перемешивания и радиационной деградации материалов.
Результаты решения уравнений переноса с использованием метода групп позволяют рассчитывать распределение потоков ускоренных частиц по энергиям, глубине и углам вылета.
Разработан простой метод определения функции распределения пробегов ионов при их имплантации в многокомпонентные мишени с неоднородным составом.
Личный вклад автора.
В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор являлся инициатором (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения), разрабатывал методику исследования, проводил теоретические расчеты, осуществлял анализ и обобщение результатов.
Апробация работы.
Результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ТРТИ (г. Таганрог, 1980 -2000 гг.), на 10 Всесоюзной конференции по микроэлектронике, на VII Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (г. Минск 1984 г.), на Всесоюзных совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (г. Москва 1987, 1993, 1995, 1999 - 2003 гг.), на Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", (г. Геленджик 1995, 1999 - 2002 гг.) на научных семинарах кафедры МЭТБИС ТРТУ, отдела ядерной физики НИИ Физики РГУ, Горьковского института физико-технических исследований при Горьковском госуниверситете (г. Нижний Новгород 1985).
Основные результаты диссертации опубликованы в 47 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
