Лекция 1. Взаимодействие ионов с твердым телом

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Физические основы взаимодействия излучения
с веществом
Виды учебной деятельности и временной ресурс
Лекции
11 час (6 лекций)
Лабораторные занятия
33 час (8 лабораторных работ).
Практические занятия
11 час
Преподаватель – д.ф.-м.н., проф. А.И. Пушкарев
http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/a/AIPUSH
1
Нечетная с 15 февраля
Время
Понед
Вторник
08:30
10:25
12:20
14:15
16:10
Среда
Четверг
ЛБ
ЛБ
Пятница
ПР
ЛБ
ЛБ
Четная
Время
Понед
Вторник
Среда
Четверг
Пятница
ЛК
08:30
10:25
ЛБ
12:20
ЛБ
14:15
2
В качестве импульсных потоков излучения для пучково-плазменных
технологий используют:
1. Мощные ионные пучки
2. Сильноточные электронные пучки
3. Импульсные источники плазмы (компрессионные источники и др.)
4. Импульсные лазеры
3
Области использования пучково-плазменных технологий
Мощные ионные пучки (МИП) являются уникальным инструментом для
модификации металлических изделий.
Они обеспечивают высокие скорости нагрева и последующего охлаждения их
приповерхностного слоя, превышающие 107-109 К/с.
Давление в области поглощения МИП достигает 108-1010 Па.
При этом образуются твердые растворы и вторичные фазы, не характерные
для равновесной диаграммы фазовых состояний.
Данный метод имеет более широкие возможности модификации структуры и
свойств приповерхностного слоя по сравнению с термической обработкой,
поверхностным пластическим деформированием и др.
4
Области использования пучково-плазменных технологий
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ
Индустрия наносистем и материалов
Транспортные, авиационные и космические системы
Перечень критических технологий РФ
Нанотехнологии и наноматериалы
Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов
Технологии создания и обработки кристаллических материалов
Технологии создания электронной компонентной базы
Технологии создания биосовместимых материалов
5
Лекция 1. Взаимодействие ионов с твердым телом
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Особенности воздействия мощного ионного пучка
6
Виды взаимодействия ионов с твердым телом
1. Рассеяние ионов на атомах
2. Образование поверхностных
дислокаций
3. Образование внутренних дислокаций
4. Распыление мишени
5. Ионная имплантация
6. Химическое распыление
7. Перенос заряда
8. Адсорбция ионов
9. Эмиссия электронов
10. Эмиссия поверхностных ионов
7
1. Рассеяние ионов на атомах
Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов
бомбардируемого образца. Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению
траектории иона от первоначального направления после столкновения и к обмену
энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и
неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона.
8
2. Образование поверхностных дислокаций
Импульс иона может быть достаточно велик для того, чтобы сместить поверхностный
атом из положения, где он слабо связан с кристаллической структурой образца, в
положение, где связь оказывается сильнее. Этот процесс называется атомной
дислокацией.
9
3. Образование внутренних дислокаций
Ионы с более высокими энергиями могут вызывать внутренние дислокации в объеме
образца (радиационные дефекты).
10
Радиационные дефекты
Радиационные дефекты - дефекты кристаллической структуры, образующиеся
при их облучении потоками частиц или квантов электромагнитного излучения. Энергия,
переданная твёрдому телу (мишени), может привести к разрыву межатомных связей и
смещению атомов с образованием первичного радиационного дефекта типа пары
Френкеля (вакансия + межузельный атом).
Типичные значения пороговой энергии Епор, необходимой для образования
радиационных дефектов, составляют 10-80 эВ.
Образование
радиационных
дефектов
возможно
в
диэлектриках
и
полупроводниках. В металлах энергия, переданная ускоренным ионом в фононную
подсистему, превращается в тепло, не создавая дефектов структуры.
Если энергия, которой обладает первичный смещённый в междоузлие атом,
значительно превосходит Епор, то такой атом в свою очередь может при движении
генерировать пары Френкеля вблизи своей траектории и т. д. Результатом каскада
соударений является образование дефектных разупорядоченных областей радиационных кластеров с характерным линейным размером 10 -100 нм. При этом
концентрация компонентов пар Френкеля в кластере может достигать 1021-1022 см-3.
При ионной имплантации (энергия ионов ~100 кэВ) локализация кластеров в тонких
слоях, определяемых пробегом ионов (~1 мкм), ведёт к образованию слоев с большей
концентрацией дефектов.
11
Генерация радиационных дефектов в твердотельных материалах
сопровождается изменением их свойств.
1. Форма и размеры облучённых образцов (радиационное распухание)
2. Изменяются механические свойства твёрдых тел, что проявляется в
увеличении предела текучести пластичных материалов, повышении
модуля упругости, ускорении ползучести. Накопление дефектов изменяет
степень упорядоченности структуры сплавов и ускоряет фазовые
переходы.
3. Электропроводность облучённых тел изменяется прежде всего из-за
появления заряженных дефектов (радиационная проводимость).
12
4. Распыление мишени
Если соударяющиеся с поверхностью образца ионы передают настолько большой
импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, происходит
физическое распыление.
13
Понятие коэффициента распыления
Количество распыленных частиц, в первом приближении пропорционально
числу упавших на мишень ионов. Соответствующий коэффициент
пропорциональности называют коэффициентом распыления (реже выходом распыления, под влиянием английского термина sputtering yield).
S = число выбитых атомов / число упавших ионов,
где в число выбитых атомов включаются атомы, вылетевшие в виде ионов и
в составе кластеров.
Если выбиваются атомы нескольких сортов, для каждого из них можно
ввести свой коэффициент распыления (называемый парциальным).
14
Применения распыления твердого тела ионным пучком
Распыление может вызываться падением на твердое тело любой
элементарной частицы - фотона, электрона, протона, нейтрона и проч., а
также падением составной частицы - атома, иона, молекулы.
Однако для практических целей применяют почти исключительно ионное
распыление.
Существует три основных области применения распыления:
-
определение состава поверхности (ВИМС)
-
очистка и полировка поверхности
-
ионная заточка
-
напыление пленок
15
Выбитые падающим ионом атомы могут покинуть мишень:
- в электронейтральном состоянии
- в виде положительных или отрицательных ионов,
- в составе молекул
- в виде кластеров, причем кластер также может нести электрический
заряд.
Количество вылетевших ионов на 2-4 порядка меньше числа вылетевших
атомов;
Количество вылетевших кластеров и молекул гораздо меньше числа
атомов.
Количество многозарядных ионов с зарядом n быстро (по степенному
закону) спадает с ростом n.
Количество кластеров быстро убывает с ростом числа атомов в кластере.
16
Определение состава поверхности (ВИМС)
Происходит путем регистрации распыленных из нее атомных частиц.
Проще всего зарегистрировать вылетевшие ионы, но количественный анализ
в этом случае затруднителен, так как вероятность ионизации (отношение
числа вылетевших ионов какого-либо элемента к общему числу вылетевших
нейтральных атомов и ионов этого элемента) чрезвычайно чувствительна к
наличию даже микроскопических количеств примесей на поверхности.
Гораздо более достоверный количественный анализ возможен путем
регистрации атомов, которые для этого приходится превратить в ионы. Можно
также регистрировать излучение выбитых возбужденных атомов и определять
элементы по характеристическим линиям спектра.
17
Вторичная ионная масс-спектрометрия
18
Очистка поверхности
Поверхность, находившаяся в контакте с воздухом, всегда покрыта слоем
адсорбированных атомов и молекул. Даже если этот слой очень тонок
(например, всего один слой атомов), по меркам технологий, применяемых в
производстве приборов твердотельной электроники, поверхность является
"грязной".
Чтобы поверхность не загрязнялась, работа с ней ведется в вакууме, но
чистую поверхность надо сначала получить. Это можно сделать путем
обработки поверхности ионным пучком, который снимает верхние слои атомов,
содержащие примеси.
Полировка поверхности ионным пучком позволяет получить очень
гладкие поверхности (уже говорят об атомно-гладких поверхностях), но для
этого требуется тщательно подбирать тип ионов, их угол падения, энергию и
дозу.
19
Формирование тонкопленочных покрытий
Геометрическая схема процесса осаждения тонких плёнок: R – расстояние от анода
до центра мишени; α – угол падения пучка на поверхность мишени; d – расстояние
между мишенью и подложкой; θ – угол между центром (позицией) подложки и
нормалью к мишени
20
5. Ионная имплантация (легирование)
Ионы могут проникать в кристаллическую решетку и захватываться там, израсходовав
свою энергию.
21
Ионное легирование
Ионное легирование - введение посторонних атомов внутрь твёрдого
тела путём бомбардировки его поверхности ионами.
Ионное легирование наиболее широко используется при введении
примесей в полупроводниковые монокристаллы для создания требуемой
примесной электропроводности полупроводника.
позволяет вводить в разные полупроводниковые материалы точно
дозированные количества почти любых химических элементов.
позволяет управлять распределением внедрённых ионов по глубине
путём изменения энергии ионов, интенсивности и направления ионного
пучка относительно кристаллографических осей.
позволяет создать в полупроводниковом кристалле электроннодырочный переход на малой глубине, что увеличивает, например,
предельную частоту транзисторов или эффективность работы
фотоприемников.
22
6. Химическое распыление
В результате химических реакций ионов с поверхностными атомами на поверхности
образуются новые химические соединения, причем самый верхний слой атомов может
оказаться в газообразном состоянии и испариться (химическое распыление).
Si + F2  SiF4
23
24
24
7. Перезарядка ионов
Бомбардирующие положительные ионы в результате процесса нейтрализации могут
приобретать на поверхности электроны и отражаться от нее в виде нейтральных атомов.
25
8. Адсорбция ионов
Ионы могут оказаться связанными с поверхностью образца (адсорбированными).
Напыление, ионно-лучевая эпитаксия
26
9. Эмиссия электронов
При ионной бомбардировке металлических поверхностей в определенных условиях
возможно возникновение вторичной электронной эмиссии.
27
Теория пробоя Таунсенда
1. Первый коэффициент Таунсенда
Таунсенд ввел коэффициент α, показывающий, сколько актов ионизации
производит электрон на пути в 1 см.
Впоследствии α был назван первым коэффициентом Таунсенда.
Таунсенд сделал три небезупречных предположения:
1.
Электрон ионизует только тогда, когда его энергия равна или больше
энергии ионизации молекулы.
We > Wu.
2. После ионизации электрон полностью теряет свою кинетическую
энергию.
3. Электрон набирает энергию для ионизации на пути хи.
28
Электронная лавина
Поток электронов, порожденный в газовом промежутке одним электроном,
получил название электронной лавины
Схема электронной лавины
29
Второй коэффициент Таунсенда
Процессы, которые могут обеспечить воспроизведение вторичных
электронов:
•
освобождение электронов из катода при бомбардировке его
поверхности положительными ионами начальной лавины
кинетическое вырывание, когда кинетическая энергия ионов достигает
порядка
сотен эВ и более.
потенциальное вырывание электронов медленными ионами за счет
образования
сильного электрического поля вблизи катода.
Механизм
потенциального
вырывания
электронов
положительными
ионами.
30
10. Эмиссия поверхностных ионов
Если поверхностные атомы возбуждаются до ионизированных состояний и покидают
образец, имеет место вторичная ионная эмиссия.
31
Лекция 1. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых
тел
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Особенности воздействия мощного ионного пучка
32
2. Пространственная структура треков
Структуры пространственного распределения промежуточных активных частиц .
Поток ионов, приблизившись к поверхности твердого тела, вырывает из него
электроны и превращается в поток быстрых атомов.
Для тяжелых частиц структура треков такая же, как и для быстрых
электронов. Однако шпоры здесь расположены очень близко друг к другу.
Поэтому они сразу же после своего образования сливаются в сплошную
цилиндрическую колонку (колончатая ионизация).
33
33
Количество пор, отн. ед.
Микрофотографии поверхности исходной и
модифицированных в плазме кислорода ПЭТФ ТМ
исходная ПЭТФ ТМ
с диаметром пор 0.140 мкм
обработанная в плазме
в течение 1 мин
1 - исходная ПЭТФ ТМ
2 - 1 мин в плазме кислорода
3 - 5 мин в плазме кислорода
3
1
2
2
3
1
0
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Размер пор, х10-2мкм
Кривые распределения пор по
величине их диаметров
Параметры ВЧ-разряда:
 Давление газа – 22.5 Па
 Мощность разряда – 500 Вт
обработанная в плазме
в течение 5 мин
Дмитриев С.Н., Кравец Л.И. и др. //
Сообщение ОИЯИ № 18-97-236. 1997. 16 с.
34
Лекция 1. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых
тел
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Особенности воздействия мощного ионного пучка
35
3. Удельные (линейные) потери энергии.
Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч
соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть
охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx.
Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии ΔЕ
заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка Δх, к
длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии
частицы и особенно резко перед остановкой в веществе (пик Брэгга).
Рис. 1. Распределение поглощенной дозы в веществе при прохождении монохроматического
пучка тяжелых заряженных частиц
36
Зависимость тормозной способности биологической ткани для протонов с начальной
энергией 400 Мэв от глубины проникновения протонов в слой вещества. Численные
значения над кривой - энергия протона (в МэВ) на различной глубине проникновения.
В конце пробега - пик Брэгга.
37
Пробеги ускоренных ионов в веществе
● Полный (траекторный) пробег R – длина пути, который прошел ион до
остановки.
●
Проективный пробег Rp – проекция пути (полного пробега) на нормаль к
поверхности мишени.
● Страгглинг полного пробега либо проективного пробега – среднеквадратичное
отклонение полного либо проективного пробега, т.е. дисперсия распределения
пробегов.
● Поперечный пробег – расстояние, на которое сместится ион до своей остановки
относительно начального направления своего движения.
● Векторный пробег – длина вектора, который можно провести от точки начала
движения иона в веществе к точке его остановки.
38
Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и
поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие
этого пробег тяжелой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до
точки их остановки.
Пробеги протонов в алюминии
Энергия:
протонов, МэВ
Пробег, см
Массовый
пробег, мг/см2
1
3
5
10
20
40
100
1000
1.3·10-3
7.8·10-3
0.018
6.2·10-2
2.7·10-1
7.0·10-1
3.6
148
3.45
21
50
170
560
1.9·103
9.8·103
400·103
Эффективный пробег электронов в алюминии в зависимости от их энергии
Энергия электрона, МэВ
Вещество
0.05
0.5 МэВ
5
50
500
Алюминий
2·10-3
0.056 см
0.95 см
4.3
8.6
39
Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых
тел
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Особенности воздействия мощного ионного пучка
40
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
При анализе процессов потери энергии различают два основных механизма:
Взаимодействие ускоренного иона с электронами мишени
Быстрый ион взаимодействует с электронами кристаллической решетки, в
результате чего возникают возбуждение и ионизация атомов кристалла.
Поскольку плотность электронов в веществе мишени высока и такие
столкновения многочисленны, этот процесс, как и в случае потери энергии
электронами, можно считать непрерывным.
1.
Взаимодействия ионов с электронами мишени вызывают вторичную
электронную эмиссию, характеристическое рентгеновское излучение и
испускание световых квантов.
2. Взаимодействие иона с ядрами атомов мишени.
Взаимодействие происходит между экранированными зарядами ядер
первичного иона и атомами мишени. Частота таких столкновений ниже, поэтому
их можно рассматривать как упругие столкновения двух частиц.
Эти взаимодействия приводят к смещению атомов кристаллической решетки,
появлению дефектов и поверхностному распылению.
41
Классификация процессов взаимодействия ионов с веществом
При воздействии электронного пучка на образец ионы пучка претерпевают
взаимодействия, которые можно разделить на упругие и неупругие.
(возбуждение)
(релаксация)
42
42
Потери энергии тяжелой заряженной частицей в веществе происходят при
взаимодействии с атомами среды. В общем случае при столкновении иона
массы mi с атомом массы МА оказываются возможными различные каналы
передачи энергии:
1. Упругое рассеяние (взаимодействие иона с ядром атомов вещества)
mi* + МА → mi + МА*
2. Неупругое рассеяние (взаимодействие иона с электронами)
mi* + МА → mi + МА* — неупругое рассеяние с возбуждением атома;
mi* + МА → mi + МА+ + e — неупругое рассеяние с ионизацией атома;
mi + МА →
ядерные реакции;
3. Прочие каналы (перезарядка, тормозное излучение и т.д.).
43
Схематическое представление взаимодействия ионов с мишенью.
44
Зависимость удельных упругих и неупругих потерь энергии dE/dρ от E1/2
Справедливо следующее эмпирическое правило: передача энергии
кристаллической решетке осуществляется в основном за счет ядерных
столкновений при энергиях меньше А кэВ, где А - атомный вес первичного
иона. В промежуточном диапазоне энергий вклад потерь, обусловленных
обменом заряда, может возрастать примерно до 10% от полных потерь.
45
Лекция 1. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых
тел
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Особенности воздействия мощного ионного пучка
46
Ablation plasma
Action mechanism
Melt region
Stress wave
Cooling by thermal conduction
A
HPIB
Stress wave
Ion
range
47
47
Радиационно-пучковое модифицирование металлических изделий мощными
пучками обеспечивает высокие скорости нагрева и последующего охлаждения
их приповерхностного слоя, превышающие 107-108 К/с.
Динамика изменения температуры в мишени из нержавеющей стали при поглощении МИП
48
Зависимость максимального давления в области поглощения МИП от
плотности мощности
Synthesis of nanoscale structures in silicon at
a short-pulse implantation of carbon ions
G.E. Remnev1), V.V. Uglov2), P. Konarski3), V.I. Shymanski2), M.P. Samtsov2), S.A. Linnik1),
S.K. Pavlov1), A.I. Pushkarev1)
1Institute
of High-Technology Physics,
National Research Tomsk Polytechnic University,
Tomsk, Russian Federation
2Belarusian
3Tele
State University, Minsk, Belarus
and Radio Research Institute, Warszawa, Poland
50
Short-pulse ion implantation method
 The continuous ion implantation method with the carbon doses more
than 1016 suggests a subsequent thermal heating for the synthesis of
particles and annealing of defects
 ( R. M. Bayazitov et all Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Ser. Materialy Eelektronnoi Tekhniki,
No. 1, 28 (2006))
 The short-pulse ion implantation method is accompanied with heating
and pressure rise in the surface layer
 This work is devoted to the synthesis of the carbon structure in the surface
layer of Si at the short-pulse ion implantation of carbon
51
Concentrations ratio: CH/CC
0,04
+
0,03
+
IC /ISi
C+ 85-87%
H+ 13-15%
2
j=100 A/cm , n=10
2
j=25 A/cm , n=500
2
j=80 A/cm , n=10
0,02
0,010
not implanted
2
j=100 A/cm , n=10
2
j=25 A/cm , n=500
2
j=80 A/cm , n=10
0,01
0,008
400
0,006
+
200
Depth, nm
IH /ISi
0
+
0,00
0,004
0
200
400
Depth, nm
С+/H+≈6
Сс/Сh≈6
We observe a good agreement between the ratio of ions C/H in the HPIB
and implanted into the Si-target
52
A fragment of a silicon crystal roentgenogram
after the treatment of HPIB
53
The phase composition and structural parameters
(based on small-angle X-ray analysis)
Size of CSR
Δd/d*10-3
(lattice
distortion)
a = 5.429
>500
0.1
20
a = 3.0988
c = 15.0170
12
3
Cnanodiamond
10
a = 3.5625
8
5
Si (111)
50
a = 5.429
70
1
SiC moissanite
24
a = 3.0988
c = 15.0170
16
8.9
Cnanodiamond
26
a = 3.5625
9
6.0
Pulse
number
Phases
The content of
phases in the surface
layer, %
1 imp
Si (111)
100
Si (111)
>90
a = 5.429
SiC
traces
a = 3.0988
c = 15.0170
Cnanodiamond
traces
a = 3.5625
Si (111)
70
SiC
10 imp
D~1014 см-2
100 imp
D~1015 см-2
500 imp
D~1016 см-2
Lattice
parameter, Ǻ
54
Transmission electron microscopy (TEM)
1.
2.
Sample preparation
By electrochemical etching
By mechanical removal of the surface layer of the sample with the
following analysis of the resulting powder
Mechanical removal of
the surface layer
Analysis of powder with an
electron microscope
HPIB
Particles (SiC+diamond)
Si-target
Si-target
Illustration of the second method
55
TEM results
e
f
SiC (cub)
C (Diamond)
Graphite of cube modifications (c, d)
and silicon carbide of hexagonal (a-d)
and cube (e-f) modifications
56
Волнообразные микроструктуры, формируемые на границе раздела SiO2/Si
при воздействии мощного ионного пучка
© В.С. Ковивчак, Т.В. Панова и др.
Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского
Поверхность кремния со слоем собственного оксида толщиной 330 nm после воздействия
МИП с j = 150A/cm2 и n=1.
На вставке — увеличенное изображение участка поверхности микроструктуры с каплями
57
расплавленного оксида.
Лекция 1. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых
тел
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Особенности воздействия мощного ионного пучка
58