Физические основы методов быстрого ядерного анализа твердого тела и модификации свойств полупроводников ионами повышенной энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Уральский государственный техническим университет

)' Г Б ОД На правах рухописи

УРМАНОВ Александр Рифатович

Фязшческие основы методов быстрого ядерного анализа твердого тела п модификации свойств полупроводников нонами повышенной энергия

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Екатеринбург 1994

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете - УПИ (г.Екатсринбург)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Б.Н.Гощицкий; доктор физико-математических наук, профессор П.В.Волобуев; доктор физико-математических на)!:, профессор В.В,Овчшшиков

Ведущая организация - Уральский государственный университет

Защита диссертации состоится " -Я - инэМ-Я 1994 г. в 15 ч на заседании специализированного совета Д 063.14.06 при Уральском государственном техническом университете - УЦИ в ауд. К, главный учебный корпус.

Отзыв в одном экземпляре просьба направлять по адресу:

620002, г.Екатеринбург, К-2, УГТУ-УПП, ученому секретарю совета

университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического унииерситста - УПИ.

Автореферат ргзослап " ^ ^ " луз^ Я 1994 года

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-матемгтг

наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. На основе выведенной из первых принципов кинетической теории взаимодействия ускоренных ионов с твердым телом в настоящей работе рассмотрены физические основы методов быстрого ядерного анализа твердотельных образцов, а также механизмы воздействия ионов повышенной энергии на полупроводники.

Актуальность теш

Использование пучков ускоренных ионов для решения прикладных задач физики полупроводников и диэлектриков - совершенствования существующих и разработки новых технологий изготовления элементов опто- и микроэлектроники - определяет наивысшие достижения в этой области с точки зрения как сложности и многофункциональности производимых микросхем, так и плотности размещения схемных элементов. Существующие технологии ионной имплантации в полупроводники в настоящее время используют ионы пониженной (до нескольких десятков кэВ/нуклон) энергии. Начиная с середины 80-х годов все большее внимание уделяется имплантации ионов повышенной (порядка нескольких МэВ/нуклон) энергии (ШШЗ), открывающей возможности создания .многослойных и трехмерных микроэлектронных структур.

Однако физика воздействия таких ионов на твердое тело требует глубокого изучения, поскольку первые же эксперименты в этой области указывают на существенную специфику ИИПЭ по сравнению с обычной ионной имплантацией.

В то же время ионные пучки повышенной- энергии представляют собой эффективный инструмент анализа твердотельных образцов. Методы быстрого ядерного анализа (метод резерфордовского обратного рассеяния, характеристического рентгеновского излучения атомов мишени, возбуждаемого ускоренными ионами, ядерных реакций и ядер отдачи) уже продолжительное время используются как в фундаментальных исследованиях по физике взаимодействия заряженных частиц с твердым телом, так и для решения конкретных прикладных задач. Благодаря возможности неразрушающего глубинного анализа образцов эти методы являются уникальными для исследования полупроводников, подвергнутых ИИПЭ.

Метода быстрого ядерного анализа основаны на интерпретг угловых и энергетических распределений вторичного излучения ( ратнорассеянные ионы, ХРИ атомов мишени, продукты ядерных реаки ядра отдачи и т.д.). Такая интерпретация предполагает созда достаточно точных моделей распределений вторичного излучения, нованных на детальном учете всех основных процессов, сопровожд щих прохождение ионов повышенной энергии, через твердое тело, также особенностей используемой в экспериментах измерительной паратуры. '■ '

Физика взаимодействия быстрых ., заряженных . частиц давно приобрела черты самостоятельного научного направления, инкорпо ровавшего в себя достаточно разнородные как по исследуемым объ там, так и по используемому математическому аппарату предметы. , описания всего многообразия наблюдаемых явлений потребовалась работка специальных теоретических подходов. С начала 70-х годов роль некоторой общей теории рассматриваемых процессов начин; претендовать кинетический подход, основанный на принципах клао ческой статистической физики. В отличие от квантовых кинетичеа уравнений, которые также пытались использовать для описания про: адения быстрых заряженных частиц через твердое, тело, классичеа уравнения позволяют получать количественные результаты и поте более пригодны для решения практических задач.

Однако существовавшая к настоящему времени кинетическая те рия взаимодействия быстрых заряженных частиц с твердым телом, £ первых, не имеет сколько-нибудь строгого обоснования на оснс вывода из первых принципов, а во-вторых, не является самосоглас ванной, поскольку в качестве коэффициентов кинетических . уравнен используются результаты упрощенных модельных теорий Н.Бора, Бет Блоха, Линдхарда и т.п. Все это, с одной стороны, не позволя оценить степень адекватности получаемых на основе этой теории р зультатов, а с другой, - обобщить кинетический подход на случ иных, не исследовавшихся ранее процессов.

Цель» работы явилась разработка физических основ модификац свойств полупроводников пучками ионов повышенной энергии и метод экспериментального исследовашя состава и структуры образцо

ченных в результате имплантации ионов повышенной энергии, !М последовательного решения трех взаимосвязанных задач:

а)построение из первых принципов версии последовательной са->гласованной кинетической теории взаимодействия быстрых заря-шх частиц с твердым телом; '

б)разработка общей методологии быстрого ядерного анализа с зльзованиеи развитой теории, исследование на этой основе про~ зов взаимодействия ионов повышенной энергии с веществом, а так-гостава й структуры конкретных образцов;

с)теоретическое (с использованием результатов решения первой торой задач) и экспериментальное (на основе методов быстрого рного анализа) исследование особенностей воздействия ионов поенной энергии на полупроводники.

Научая новизна

1. В работе обнаружены следующие новые эффекты и занономер-' :ти:

- наличие "тонкой структуры" глобального максимума сечения эможения быстрых ионов в ряде элементарных мишеней;

- влияние особенностей электронной структуры полупроводников циэлектрикоз на сечение торможения быстрых конов;

- различие зарядовых состояний ионов водорода в различных пах твердого тега - наличие нейтральных атоиов Н® в металлах и

отсутствие з полупроводниках; ■

- эффект "звукового барьера" - резкое увеличение сечения рможения иона электронной плазмой твердого тела при приближении ярости быстрой частицы к фазовой скорости плазмона;

- влияние корреляции тепловых колебаний атомов кристалла на юцес'с деканалирования быстрых ионов при покижеюшх температурах больших глубинах проникновения;

- существенная роль демпинг-эффекта на больших глубинах хзникновения каналированных ионов в" кристалл, приводящая, к рачительному уменьшению выхода деканалированных ионов;

'эффект "сфокусированного" селективного воздействия аналированных ионов на атомы, находящиеся вне, плотноупакованных томных цепочек, вдоль которых движется частица;

- отличие основных механизмов деканалирования на больших глубинах в многокомпонентных монокристаллах по сравнению с одпокомпонентными - доминирующая роль ядерной диффузии на атомах "слабых" цепочек в первом случае и электронной диффузии во втором.

2. Впервые предложены оригинальные методы исследования как самих процессов взаимодействия ионов с твердым телом, так и условий их протекания, то есть состава и структуры образцов:

- метод исследования потенциала ион-атомного взаимодействия для случая больших и средних прицельных параметров на основе POP;

- метод определения концентрации примесных атомов и основных компонентов мишени на основе совместного использования методов POP и характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) атомов мишени;

- метод определения малых концентраций собственных дефектов монокристалла на основе совместного использования POP и ХРИ в сочетании с эффектом каналирования.

3. Впервые предложен механизм воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело, основанный на предположении о селективном нагреве дефектообразующих атомов за счет преимущественной релаксации на них электронных возбуждений, внесенных ионом, приводящем к диссоциации или трансформации комплексов и существенному повышению

' подвижности точечных дефектов.

Полный объем выполненных исследований составляет новое научное направление в радиационной физике твердого тела: "Физика воздействия ионов повышенной энергии на полупроводники".

Научная и практическая значимость диссертационной работы заключается в:

- возможности осуществления на основе развитой кинетической теории численных расчетов параметров основных процессов, сопровождающих прохождение ускоренных ионов через твердое тело, необходимых как для проведения фундаментальных исследований в области физики взаимодействия быстрых заряженных частиц с веществом, так и для решения прикладных задач физики твердого тела вообще и опто- и микроэлектроники в частности;

создании комплекса методов неразрушающего анализа

твердотельных образцов, в частности, элементов полупроводниковой микроэлектроники,- а . также методов исследования процессов взаимодействия ускоренных ионов с твердым телом, необходимых для дальнейшего развития фундаментальных исследований в данном направлении;

- возможности разработки качественно новых технологий изготовления элементов микроэлектроники на основе ИГО, позволяющей не только вводить строго дозированное количество примесных атомов на большие глубины, но и осуществлять глубокую очистку изделий от нарушений кристаллической структуры, недоступную- иным, например, тепловым методам обработки полупроводниковых материалов;

- возникновении новых перспектив в области фундаментальных исследований физики воздействия ионов повышенной энергии на полупроводники .

АВТОР ЗА11ЩАЕТ:

1.Версию построения из первых' принципов самосогласованной кинетической теории прохождения быстрых заряженных частиц через твердое тело, основанную на методе микроскопической фазовой плотности и нестандартном анализе, позволяющую не только обосновать применимость известных кинетических уравнений к рассматриваемой задаче и определить область их применимости, но и обобщить кинетический подход на случай еще не рассматривавшихся процессов и ион-мишенных комбинаций.

.- 2.Обоснованные в рамках развитого кинетического подхода оригинальные модели основных процессов, сопровождающих прохождение ускоренных ионов через твердое тело, позволившие не только раскрыть механизмы возникновения известных закономерностей, но и предсказать ряд новых эффектов (эффект "кристаллической модификации", эффект "звукового барьера", 'фокусирующая роль демпинг-эффекта и др.), некоторые из которых нашли свое экспериментальное подтверждение.!

3.Общую методологии исследования процессов, сопровождающих прохождение ускоренных ионов через вещество, а также условий их протекания (анализ- состава и структуры твердого тела) на базе развитых автором специальных методов математической обработки

развитых автором .специальных методов математической обработга энергетических и угловых распределений вторичного излучения возникающего при облучении образцов ускоренными ионами, < использованием оригинальных моделей указанных распределений.

4.Результаты основанных на предложенных методах конкретны: экспериментальных исследований потенциала ион-атомног< взаимодействия, зарядового состояния ионов водорода в металлах 1 полупроводниках, особенностей деканалирования ускоренных ионов : одно- и многокомпонентных монокристаллах, а также их радиационной воздействия в процессе анализа.

5.Модель воздействия ионов повышенной энергии на твердое тел-за счет селективного нагрева дефектообразующих атомов и локальноп разогрева кристаллической решетки в- результате релаксаци. сильнонеравновесных электронных возбуждений, вносимых быстры] ионом, на ядерную подсистему, позволяющую объяснить практическ: все обнаруженные к настоящему времени экспериментальны-закономерности.

6.Интерпретацию экспериментально обнаруженных особенносте: воздействия ионов азота с начальной энергией от 2 до 16 МэВ н полупроводники.

Личшй вклад автора

Диссертационная работа является результатом многолетней рабо ты автора в проблемной научно-исследовательской электрофизическо лаборатории (НИЭФЛ) Уральского государственного технического уни верситета - УПИ. Теоретические исследования, построение моделе энергетических и угловых распределений вторичного излучения, раз работка методов математической обработки экспериментальных данных а также интерпретация полученных результатов выполнены лично авто ром. Часть непосредственных расчетов и их сравнение с эксперимен тальными данными осуществлено совместно с сотрудниками КЙЗФЛ. работе использованы опубликованные экспериментальные, данные, полу ченкые как сотрудниками НИЭФЛ, так и другими исследовательским коллективами.

Постановка задач, выбор путей к методов их решения, вывод диссертации и положения, выносимые на защиту, принадлежат автору.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на двадцати хной Всесоюзной, межнациональной и международной конференции Л 1-Х и XII-XXIti Всесоюзных, затем межнациональных совещаниях по гайке взаимодействия.заряженных частиц с твердым телом - Москва; II международной конференции по атомным столкновениям в твердых елах - Москва; I и II Всесоюзных конференциях "Модификация войств конструкционных материалов пучками заряженных частиц" -'омск, Свердловск; международной конференции по ионной имплантации i полупроводники и другие материалы - Люблин; III международной (онференции по модификации материалов энергетическими импульсами и тучками частиц - Дрезден; VIII международной конференции "Модификация материалов пучками ионов* (IBMM) - Гейдельберг); на семинарах по методам быстрого ядерного анализа - при научном совете по приложении методов ядерной физики в- смежных областях, НИИЯФ МГУ им. Ломоносова, Ливерморской лаборатории (США, Калифорния). По результатам диссертации опубликовано 70 работ. Основные результаты содержатся в статьях {1 - 33].

Об'ем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех частей, каждая из которых содержит две главы, заключения, приложений, в которые вынесены обзорные материалы, математические выкладки и некоторые побочные результата, а также списка используемой.литература из 344 наименований. Общий объем диссертации - 4Q0 страниц, из которых основной текст составляет 289 страницы, включая 72 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении'обосновывается актуальность темы диссертации, ее значимость как для фундаментальных исследований, гак и для решения ■прикладных задач, определяется цель исследований, формулируется проблема-и разбивается на задачи. Приводятся основные защищаемые положения и формулируется" новое научное направление в рамках радиационной физики твердого тела.

Первая часть диссертации посвящена построению из первых принципов кинетической теории взаимодействия быстрых заряженных частиц с твердым телом.

В первой главе дано обоснование применимости классического кинетического подхода к описании взаимодействия быстрых заряженных частиц с твердым телом.'Показано, что известные к настоящему времени процедуры вывода кинетических уравнений Больцмана и Фоккера-Планка в применении к рассматриваемой проблеме преимущественно основаны на рассуждениях "по аналогии" с соответствующими процедурами статистической физики и не учитывают специфики таких сложных систем, как систем, состоящих из атомов и электронов твердого тела и быстрых заряженных частиц. Далее формулируется задача и осуществляется выбор методов ее решения.

Предложенная версия построения кинетической теории прохождения быстрых заряженных частиц основана на фундаментальных понятиях нестандартного анализа и методе микроскопической фазовой плотности (МФП). Вывод исходного уравнения кинетической теории осуществлен в рамках приближения уединенной быстрой частицы, когда в качестве модельного рассматривается ансамбль из к систем, каждая из которых состоит из л» атомов мишени, содержащих 2л электронов и одной ускоренной частицы ~ 1).-Это приближение введено не столько для упрощения задачи, не ограничивающего общности рассмотрения, сколько для того, чтобы подчеркнуть существенную условность описания прохождения ускоренной частицы через твердое тело с помощью непрерывных функций распределения.

В общем случае рассматриваемый модельный ансамбль описывается системой трех нелинейных уравнений относительно МФП быстрой частицы N , атомов N и электронов N " кишени. "Слабая" нелинейность уравнения относительно Нр при выводе о.бщего вида кинетического уравнения несущественна, однако ее необходимо учесть при выводе выражений для коэффициентов этого уравнения (ГЛАВА 2).

Ускоренные "ионы в твердо« теле могут участвовать как в парных, так и в коллективных взаимодействиях. В первом случае речь идет о столкновениях с отдельными атомами и электронами мишени на расстояниях р, существенно менызйх межатомного <3^ ~ (п^)1 /э или межэлектронного й^ " (пв)1/3 расстояний:

« ' (1) р < л

е •

втором случае имеется в виду взаимодействие быстрых частиц с уппой атомов или электронов. Понятно, что такое взаимодействие жет осуществляться на расстояниях, сравнимых с с!^ и . Третьим рактерным, масштабом рассматриваемой задачи является длина с!р щественного изменения функции распределения быстрой частицы .

С учетом описанных выше обстоятельств и использованием Фмализма "нестандратного анализа получено следующее исходное >авяение кинетической теории

и (х.С) = - V — «СлРзК > + е./ (х,0 - I + I , (2)

р др Р В р в

;е аР - флунтуация силы, действующей на. быструю частицу со гороны атомов и электронов мишени; ав - оператор парных »аимодействий.

Уравнение (2) еще не является кинетическим, поскольку оно не амкнуто относительно одночастичной функции распределения а

здержит флуктуацию "сглаженной" по масштабам р (1) силы, являю-зйся случайной величиной. Поэтому решение этого уравнения не редставляется возможным.

Существенного упрощения задачи можно добиться, отбросив в сходном уравнении либо один из столкновительных членоз, либо оба разу. Режимы движения быстрых заряженных частиц в твердом теле, писываемые такого рода уравнениями, называются предельными, по-кольку указанные формальные упрощения исходного уравнения означат высокую степень абстрагирования от ряда процессов, сопровождаю-их прохождение быстрых частиц через вещество.

Так, если отбросить оба столкновительных члена, то задача из татистической превращается в чисто динамическую задачу описания ;вижения быстрой заряженной частицы в некоторой эффективном потен-;иале, создаваемом всеми частицами твердого тела, при наличии силы •рения (торможение'ускоренного иона).

Исключение из уравнения (2) столкновительного члена Г позво-¡яет свести его к кинетическому уравнению Больцмана, описывающему ¡арные столкновения быстрой заряженной частицы с атомами мишени

(многократное рассеяние) без учета флуктуаций электронных поте{ энергии.

Если в уравнении (2) отбросить столкновительный член 1д (пр€ небрежение парными столкновениями с атоками мишени), то после вв€ дения ряда предположений и приближений (малость флуктуаций и пре небрежение нелинейными по флуктуациям членами, предположения дельта-коррелированности флуктуаций и об установлении статистичес кого равновесия в пучке быстрых частиц) можно получить известно уравнение типа Фоккера-Планка, широко используемое для описани аксиального каналирования ускоренных ионов. Если ввести боле "слабое* приближение об отсутствии корреляции флуктуаций только п различным осям координат, то можно, например, учесть влияние кор реляции тепловых колебаний атомов кристалла на процесс деканалиро вания быстрой заряженной частицы.

Также из уравнения (2) в пренебрежении парными столкновениям получена обобщенная кинетическая теория страгглинга (флуктуацн энергетических потерь ускоренных частиц). Известные теории страг глинга, разработанные Бором, Ландау и Вавиловым, являются частный: случаями предложенного подхода.

Таким образом, предложенная версия построения кинетически теории позволяет более полно выявить все предположения, лежащие 1 основе кинетических уравнений, описывающих так называемые предельные режимы движения быстрых заряженных частиц в твердом теле, < также предложить способы учета тех или иных процессов, которьи ранее были исключены из рассмотрения; Кроме того,, предложенная версия построения кинетической теории представлет из себя достаточно универсальный рецепт вывода новых (или модификации существующих) кинетических уравнений для описания тех или иных процессов, сопровождающих прохождение ускоренных частиц через вещество.

В частности, предложенная версия позволила осуществить обобщение кинетического подхода на случай так называемых нормальных режимов движения ускоренных заряженных частиц в твердом теле, для описания которых необходимо отказаться от сильных приближений, лежащих в основе кинетических уравнений, описывающих предельные режимы движения, и сохранить в исходном уравнении теории (2) оба столкновительных члена.

В диссертации получены следующие • обобщенные кинетические авнения, описывающие движение ускоренных ионов:

а) для случая движения в монокристалле

У О!" + У* c(1J')f . (3)

a z L fp L р

i-i j-t

е R - число атомных цепочек различного типа (то есть содержащие омы различного сорта и (или) имеющие различные межатомные сстояния), расположенных вдоль направления движения быстрого на в (вообще говоря) многокомпонентном монокристалле; олкновительный член фоккер-планковского типа для атомной цепочки ;па i; с"" - оператор рассеяния быстрого иона на атомах сорта принадлежащих цепочке типа i:

г' я

я Ао

"» - (arJ^^n^^e^]"1! Г^ [ ^(E.tOg"^) sintfd*,

k*1 г1 i*

'lain о (4)

хе сt - число цепочек типа i в элементарной ячейке, п - число томов (ядер) сорта j, принадлежащих цепочке типа i, в единице Зъема; Afc = Ak(£A) - доступная для иона площадь около ¿-й це-зчки; - сечение рассеяния быстрого иона на атомах сорта j; 113' - функция распределения атомов сорта j, принадлежащих цепоч-э типа i, в поперечной плоскости (учитывает тепловые колебания и гфектность структуры);

б) для случая неупорядоченных сред

Bf а£ ¿л,.. а Г, а / -Р + П _Р .Tl'JIf +

53

= + _ Г1 в _р _ S(i)f 1 (5)

ar 8 р ад L^ эд pJ '

де п = р/|р|; ¿= Ео - Е; £ = /р(г,п,Е,я), В - диффузионный оэффициент, учитывающий страгглинг; Б - тормозная способность ещества; I - число различных сортов атоиов в мишени.'

Важной особенностью предложенной версии кинетического подхода описанию рассматриваемых'процессов является его самосогласован-ость в том смысле, что выражения для коэффициентов получаемых равнений могут быть выведены в рамках этого же подхода, а нё на юнове модельных представлений, как это'обычно делалось. Вывод ко-

эффициентов кинетических уравнений, по сути дела дредставляющих себя модели конкретных процессов, сопровождающих-прохождение уск ренкых частиц через твердое тело, рассмотрен во второй глазе.

Предложена обоснованная в рамках развитого в настоящей р. боте кинетического подхода модель сечения торможения ионов среда: энергий на электронах твердого тела.

Суммарная тормозная способность электронной подсистемы тзе] Лого тела имеет вид:

Б>) - + Б"(£) = I I взлгс*л,(Е) + X

. . л п.г ■ » (6)

где Б* - потери энергии быстрого иона на сильносвязанных элею ронах твердого тела, а Б" - на слабосвязанных. К первой групг. относятся электроны, энергия связи V , которых удовлетворяет нерг

П 1

венству

4л

ч* - гр <7>

е

где £ - энергия быстрого иона. В формуле (6) с"^ - сечени торможения на электронах пА-подоболочки атомов ¿-го сорта.

Электронная подсистема внешних электронов твердого тела (ин деке "»") представляется в виде набора иесвязанкьдс электронны: подсистем ("электронных плазм"), пронумерованных индексом "и" з имеющих различные параметры (импульс Ферми, плазменная частота параметр экранирования и т.д.). Индекс "ей" у энергетических потерь ионов на слабосвязанных электронах в (7) относится к механизму парных, а индекс "р!" - коллективных взаимодействий.

Предложенная модель позволяет не только с достаточной степенью точности описать известные экспериментальные данные (абсолютную величину сечения торможения, наличие максимума зависимости с"(Е), гг-колебания и т.д.), но и.раскрыть механизмы возникновения известных закономерностей на основе подробного рассмотрения особенностей торможения ионов на сильно- и слабосвязанных электронах. В частности, показано, что вклады сильно- и слабосвязанных электронов в полное сечение торможения различны для различных энергии ионов и для различных Ъ. С ростом энергии ионов относительный вклад слабосвязанных электронов в полное сечение торможения уыень-

шается, в то время как электронов кора - увеличивается. При одной и той же энергии ионов для элементов, расположенных в начале периодической таблицы, основной вклад в сечение торможения дают слабосвязанные электроны. Для элементов со средними значениями Ъ^ вклад двух подсистем в сечение торможения примерно одинаков, а для тяжелых элементов характерно превалирование торможения на электронах внешних оболочек кора.

Сравнение рассчитанных и экспериментальных данных по сечениям торможения позволило предсказать наличие тонкой структуры глобального максимума сечения торможения ионов в некоторых элементарных мишенях, продемонстрировать чувствительность расчетных тормозных способностей полупроводников к виду диэлектрической функции кристалла в отличие от металлов, для которых такой чувствительности не наблюдается.

На базе предложенной модели сечения торможения быстрых ионов предсказан ряд новых эффектов, обусловленных взаимодействием быстрой частицы со слабосвязанными электронами твердого тела. К указанным эффектам относятся:

1)"эффект кристаллической модификации* - влияние особенностей электронной структуры твердого тела на нормальные потери энергии ионов. Обнаружено, что энергетические потери протонов различаются для двух кристаллических модификаций углерода - алмаза и графита. Причем превышение сечения торможения протонов в графите обусловлено различием кристаллических структур у двух модификаций углерода: их плотности существенно различаются: 3,6 г/см2 у алмаза и 2.2 г/смг у графита. В результате средняя концентрация слабосвязанных электронов, дающая определяющий вклад з сечения торможения, у алмаза выше, чем у графита. Это приводит к различию характеристик электронной плазмы твердого тела и, в результате, к различию в рассчитываемых сечениях торможения. Полученный результат можно проинтерпретировать в том смысле, что в силу меньшего радиуса экранирования в более плотной электронной плазме алмаза область эффективного взаимодействия быстрой частицы меньше, чем в случае графита. Это и приводит к наблюдаемому эффекту';

2)наличие "звукового барьера" - резкого увеличения сечения торможения иона при приближении его скорости к фазовой скорости

тшазнона. Указанный эффект шсйт исключительно нелинейный характе и связан с наличием солитоккой составляющей кильватерного потекда ала, создаваемым ускоренным ионом в электронной плазме твердог тела;

3)ряд особенностей (отсутствие возбуждения плазменных колебг ний, существенное изменение тормозящей силы со стороны кильватер ного потенциала) торможения быстрых ионов при наличии сопутству! щих заряженных частиц.

Некоторые из перечисленных выше эффектов наели свс экспериментальное подтверждение.

Предложены достаточно простые к, а то же время, точные подхс да к описанию торможения каналированных частиц и многозаряднь ионов. Предложенные в настоящей работе модели энергетических пс терь каналированных ионов и полученные на ее основе электроннь коэффициенты диффузии значительно улучшают результаты расчетов г сравнению со стандартным приближением локальной электронной плот ности.

Рассмотрение ядерного коэффициента диффузии на основе раз витого кинетического подхода позволяет, с одной стороны, получит достаточно простое выражение, учитывающее усредненный по тепловь колебаниям атомов кристалла потенциал цепочки, а с другой сторонь - учесть и исследовать вклад корреляции тепловых колебаний атомоЕ Получено следующее выражение для коэффициента В*:

К " А;1|С1гаР^Га)€(Га) - А;^гА|с1г:Ги(гА)Ки(г1)Г(гА)Г(г:)

* I »1

Первые два члена в (8) представляют собой средний квадрг флуктуации линдхардовской силы, определяемой линдхардовским. поте} циалом: <5Г®> » <ГЪ - <Р >*, третий член описывает вклад корреля ций тепловых колебаний атомов в коэффициент диффузии. Традиционнь ливдхардовский коэффициент ядерной диффузии легко получить из пе; вых двух слагаемых (8) в первом' порядке разложения по квадрат тепловых колебаний атоыов. Однако при использовании этого коэфф! циента в расчетах недооценивается рост диффузии с ростом темперг туры кристалла и его применимость ограничивается случаем хоров

;аналированных частиц, когда можно пренебречь вкладом от многофо-юнных возбуждений.

Осуществлен более точный расчет коэффициента ядерной диффузии 53 выражения (8) (без учета корреляций) с использованием в качестве функций распределения атомов цепочки £(га) в поперечной плос-<ости гауссовского распределения.

Показано, что наибольшее влияние корреляции тепловых колебаний на процесс деканалирования ионов будет наблюдаться при пониженных температурах кристаллов и на больших глубинах деканалирования.

Вторая часть диссертации посвящена рассмотрению физических основ и разработке общей методологии методов быстрого ядерного анализа.

Задачу извлечения информации как о процессах, сопровождающих прохождение быстрых ионов через твердое тело, так и о составе и структуре твердотельных образов из энергетических и угловых распределений вторичного излучения в общем случае можно разбить на следующие этапы: а )построение адекватной модели аЛ используемого распределения, где о - некоторый оператор, й = {Ь1,}1г1 ...} - набор количественных характеристик как самих процессов, сопровождающих прохождение быстрых ионов через твердое тело, так и условий их протекания (характеристик твердотельных образцов); б)пряяая задача - подбор исследуемых характеристик на основе сравнения расчетных и экспериментальных распределений или п)обратная задача -реаение уравнения

У = ОЪ (91

относительно интересующей нас характеристики й (или их набора). Остальные величины при этом считаются известными,а У -

экспериментально измеренное распределение вторичного излучения.

В третьей главе диссертации рассмотрены модели энергетических и угловых распределений вторичного излучения и разработана общая методология анализа твердотельных образцов в методе обратной задачи. .

Введенный вше оператор о всегда может быта представлен в виде произведения двух операторов, один из которых г.связан с физичес-

кими процессами (и условиями их протекания), происходящими при движении иона повышенной энергии и частиц вторичного излучения в мишени, а второй, е. - обусловлен регистрирующей аппаратурой

А Л Л

ЮЬ = Е[гь3 =

Л

Величина « Р(£) называется "физическим" (энергетическим)

спектром, в величина сР(£) - "реальным" спектром.

На основе кинетической теории, развитой в ЧАСТИ I, построены и детально исследованы физические модели г энергетических и угловых распределений обратно рассеянных ионов, ядер (ионов) отдачи, ХРИ атомов мишени, генерированных быстрыми ионами, а также продуктов ядерных реакций как для тонких, так и для полубесконечных одно- и многокомпонентных мишеней с неупорядоченным расположением атомов и монокристаллов как с постоянным, так и с переменным по глубине составом. Определены области применимости различных приближений к полученным точным моделям. Проведен детальный анализ "искажающих" факторов (неноноэнергетичность и несколлимированность падающего пучка ускоренных ионов, его конечные размеры, шероховатость и загрязненность облучаемой поверхности мииени и т.д.), приводящих к отличию измеряемых спектров от их идеальных физических моделей. Многочисленные сравнения рассчитанных по предложенным моделям спектров с измеренными указывают на хорошее согласие <в пределах 5%) теории с экспериментом.

Характерной особенностью уравнений типа (9), (10) являются большие изменения юс решений, понимаемых в "классическом" смысле, при незначительных изменениях левой части У уравнения (9). Решением уравнения в классическом смысле называется такой набор искомых функций А , который будучи подставлен в уравнение, обращает его в тождество. Поскольку измерение спектров носит статистический характер, величины У(£), измеренные даже в строго одинаковых условиях, всегда будут несколько отличаться друг от друга, что может привести к сколь угодно большим различиям извлеченных из этих спектров характеристик й(. Это делает бесполезным реиение уравнения (9), (10) в классическом смысле.

Имеющее смысл решение некорректных задач возможно только на основе использования дополнительной информации. Ясно, что практи-

чески использовать дополнительную, то есть не содержащуюся в исходном уравнении, информацию можно, лишь отказавшись от рассмотрения решаемого уравнения в качестве строгого равенства левой и правой частей. Вместо этого решение ищут из условия близости в некотором заданном смысле результата измерения к соответствующему операторному образу oh "искомой функции h, а дополнительная информация используется для выбора из всевозможных формальных решений наиболее физичного. Под формальным решением понимается такое семейство наборов функций h, операторные образы которых отличаются (в смысле заданной метрики) от функции Y(£) не более чем на какую-то заданную величину.

Формально-строгое решение уравнений типа (9), (1С) представляет из себя весьма сложную задачу и может быть реализовано только с помощью достаточно мощных ЭВМ. Поэтому естественно снача- ла попытаться найти условия упрощения рассматриваемой задачи.

Существенное упрощение возможно в том случае, когда физический спектр F(E') практически не изменяется на интервале Е » £' з £ + изменения аппаратной функции <5(£,£'). Тогда функцию F(£') приближенно можно Еынести из-под знака интегрирования, а оставшийся интеграл будет разен единице. Уравнение (9), (10) при этом перейдет в уравнение

Y(JE) - F(£), (11)

которое для приведенных вше моделей спектров может погашаться в смысле строгого равенства. Такая ситуация, как правило, реализуется для мишеней с постоянным по глубине составом, исключая, конечно, "ступеньки" и высокоэнергетичкый образ"'спектра. Однако и эта трудность в ряде случаев может быть исключена.

В методе корректной обратной задачи предложены способы извлечения тормозных способностей твердого тела, а также концентраций основных компонентов и концентрационных профилей примесных атомов из спектров POP и ХРИ. Проведены оценки погрешностей извлекаемых данных, доказана единственность получаемых решений. Возможности предложенных способов обработки измеренных распределений с целью извлечения полезной информации проиллюстрированы на конкрентных примерах.

Что касается мишеней с переменный по глубине составом, осо-

бенно если изменение концентраций компонентов образца с глубиной достаточно быстрое, то для них как-либо упростить уравнение (9) не удается и его приходится решать как некорректное.

В работе предложена вариационная формулировка решения уравнений первого рода, учитывающая вероятностную природу исходных данных, для которой остаются в силе практически все общие теоремы, сформулированные для вариационного подхода в методе регуляризации. Дополнительно к этому в более естественной форме выбирается параметр регуляризации и появляется возможность оценивать точность приближенного решения. Возможности развитого метода проиллюстрированы на примере исследования термодиффузии атомов N1 в 8» и радиа-ционно-стимулированной диффузии атомов Мо при облучении системы МоБ!низкоэнергетичными тяжелыми ионами.

Существует и альтернативный подход к решению обсуждаемой задачи, основанный на решении некорректных задач методом подгонки или квазирешения. Суть этого метода заключается в решении прямой зсдйчк, то есть в расчете распределений вторичного излучения при различных заранее заданных зависимостях исследуемой величины, и их последующем сравнении с экспериментальными распределениями. По совпадению расчета с экспериментом находятся "истинные* зависимости исследуемой величины (например, профилей концентрации примесных атомов или атомов матрицы мишени).

Сравнение измеренных распределений вторичного излучения с их физическими моделями, лежащее в основе метода прямой задачи, рассматриваемого в четвертой глзве, допустимо при достаточно малом влиянии аппаратурных искажений на измеренные спектры (то есть для не очень сложных ион-мишенных комбинаций), а также для качественных исследований. Несмотря на указанные ограничения область применимости метода прямой задачи оказывается более широкой, нежели область применимости метода обратной задачи, поскольку нет необходимости решать сложные уравнения математической физики. Кроме того, в методе прямой задачи нет необходимости упрощения моделей измеряемых величин, что позволяет включать в рассмотрение любое необходимое число процессов взаимодействия быстрых ионов с твердым телом и какие угодно условия их протекания. Это значительно повышает информативность рассматриваемого подхода по сравнению с рас-

смотренным выше методом обратной задачи.

Так, в работе показана возможность исследования потенциала взаимодействия ионоз повышенной энергии с атомами твердого тела на основе сравнения расчетных и экспериментальных ЭСРОР от толстых мишеней (большие прицельные параметры), а также спектров двукратного рассеяния (средние и малые прицельные параметры).

Сравнение расчетных спектров двукратного рассеяния от тонких самоподдерживающихся пленок Аи при различных потенциалах ион-атомного взаимодействия с большим числом экспериментальных спектров, измеренных различными авторами, позволило предположить, что некоторая часть ионов водорода испытывает второй акт рассеяния будучи нейтрализованными.

Дальнейшее исследование этого вопроса на основе сравнения ЭСРОР от толстых мишеней, рассчитанных с использованием энергетических потерь протонов, с измеренными спектрами, соответствующими как суммарному распределению ионов водорода по двум зарядам (Н*" и Н°), так и только протонам, обнаружило различие в зарядовом состоянии ионов водорода в металлах и полупроводниках. Быстрые атомы Н" присутствуют в металлах и отсутствуют в полупроводниках. Зтот факт объясняется различием электронной структуры этих двух классов твердого тела.

На основе численного решения кинетического уравнения типа Фоккера-Планка продемонстрирована существенная роль демпинг-эффекта на больших глубинах проникновения каналированных конов в кристалл, приводящая к значительному (до 60%) уменьшению выхода деканалированных ионов.

Численно исследована роль стокового члена (оператор С в уравнении (3)). Показано, что в отличие от однокомпонентных монокристаллов, для которых на малых глубинах функция деканалирования в основном определяется диффузией на ядрах, а на больших глубинах -на электронах, в многокомпонентных монокристаллах деканалирование на малых глубинах обусловлено рассеянием на ядрах атомов с большим 1г, а на больших глубинах - ядерной же диффузией, но на атомах слабых цепочек.

Предложен оригинальный метод определения концентрации собственных дефектов кристалла на основе совместного использования ме-

■годов POP в ХРЙ. Предложенный метод основан на использовании особенностей зависимости формы функции деканалирования от угла влетг ионоа в канал и обладает высокой чувствительностью к малым концентрациям собственных дефектов кристаллической структуры, недоступной общепринятым методам, основанным на измерении угловых распределений обратнорассеянных ионов и ХРИ.

Возможности метода прямой задачи, основанного на развитом i настощей работе кинетическом подходе, проиллюстрированы на примере сравнения расчетных энергетических и угловых распределений выход; вторичного излучения с экспериментальными результатами.

Третья часть диссертации посвящена исследованию воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело и, прежде всего, полупроводники и диэлектрики.

Исследования воздействия пучков ионов на полупроводники j диэлектрики в практическом плане были связаны прежде всего с разработкой технологических процессов изготовления элементов микроэлектроники с использованием ионной имплантации.

До последнего времени в производстве и в экспериментальны; исследованиях в основном использовались ионы низких (до десятко) кэВ/нуклон) энергий. Воздействие ионов таких энергий на твердо! . тело обусловлено исключительно пространственно неоднородным введением химически инородных атомов, осуществляемым неравновесным образом, а также нарушениями кристаллической структуры образц; вследствие выбивания атомов из узлов решетки.

Пространственное распределение внедренных ионов определяете! процессами взаимодействия быстрого иона с веществом, описываемым] обобщенным кинетическим уравнением (5). Нарушения кристалличесш структуры образца за счет передачи энергии имплантируемого ион; ядерной подсистеме образца могут быть описаны на основе теори каскадов или путем машинного моделирования.

В отличие от низкоэнергетических, ионы повышенной энерги: передают большую ее часть не ядерной, а электронной подсистем образца. Причем большая часть энергии передается электронной под системе на начальном участке проникновения такого иона в мишень При этом доля ионов, остановившихся на малых глубинах, пренебрежи

мо мала. Поэтому, кроме достаточно очевидных (большие глубины и резко асимметричные профили внедрения ионов), следует ожидать и других особенностей воздействия ионов повышенной энергии на полупроводники и диэлектрики.

Поскольку исследования воздействия ионов повышенной .энергии на твердое тело начато совсем недавно -(середина 80-х годов), в пятой главе диссертации рассмотрены экспериментальные свидетельства наличия специфических механизмов воздействия ионов с энергией поряна 1 ЫэВ/нуклон на твердое тело.

В экспериментах наблюдаются следующие основные особенности воздействия ионоз повышенной энергии на твердое тело при малых

глубинах проникновения в мишень (х « Я ): , » р

а) результат воздействия ионов повышенной энергии на металлы и полупроводники аналогичен тепловому и фотонному воздействию, что указывает на значительную роль возбуждения электронной подсистемы образцов;

б) профиль радиационных дефектов при ИКПЭ не коррелирует с профилем внедренных атомов, как это имеет место при обычной (низкоэнергетичной) ионной имплантации;

а) наблюдается немонотонная (иногда осциллирующая) зависимость степени дефектности полупроводников и металлов от дозы облучения ионами с энергиями £о в области максимума их электронных потерь энергии; при более низких энергиях ионов наблюдается монотонный рост степени дефектности с выходом на насыщение;

г) в полупроводниках имеет место немонотонная зависимость повреждающей способности ионов повышенной" энергии от их порядкового номера ;

д) наблюдается макроскопическое анизотропное изменение размеров образцов некоторых аморфных сплавов при облучении, ионами повышенной энергии.

На основе проведенного анализа экспериментальных данных показано, что наблюдаемые особенности могут" быть объяснены только с учетом сильнонеравновесных возбуждений электронной подсистемы образцов, вносимых быстрым ионом на начальном участке проникновения! в кипень, и их последующей релаксации на ядерную подсистему.

Несмотря на качественное различие электронно® структура; ке-

таллов, полупроводников и диэлектриков, а также механизмов ее взаимодействия с ядерной подсистемой, многие наблюдаемые особенности (в частности, упомянутые в т.а), б) и в))- являются общими для всех типов твердого тела, что указывает на их некоторую универсальность.

Авторы работ по ИИПЭ пытались объяснить только наблюдавшиеся ими закономерности и не задавались целью хотя бы качественно описать все многообразие экспериментальных данных, свидетельствующих об особенностях воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело.

Этой задаче посвящена шестая глава диссертации.

Известные механизмы дефектообразования при облучении твердого тела ионами - баллистический и релаксационный - не в состоянии объяснить весь комплекс экспериментальных данных по ИИПЭ даже при условии их модификации с учетом возбуждений, вносимых ионами повышенной энергии в электронную подсистему. ■

Например, традиционный баллистический механизм дефектообразования можно было бы "спасти", введя предположение, что сильнонеравновесные возбуждения электронной подсистемы, вносимые ионом, могут привести к кратковременному разрыву связей атома в твердом теле.

В результате для удаления этого атома из регулярного положения ион должен передать ему энергию, существенно меньшую обычной энергии образования дефекта Е . Таким образом, сечения ион-атомных столкновений, сопровождающихся выбиванием атомов из узлов кристаллической решетки, возрастают, что должно приводить к заметному увеличению дефектообразования по сравнению с расчетами по модели Кинчина-Пиза, не учитывающей'этого явления.

. Однако, как показал анализ, осуществленный в настоящей работе, модифицированный баллистический механизм, учитывающий возможность существенного уменьшения Еза счет электронных возбуждений, если и имеет место, то далеко не во всех случаях достаточно эффективен, чтобы объяснить особенности воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело. Тем не менее очевидна необходимость его дальнейшего изучения хотя бы в плане описания дефектообразования при обычной (низкоэнергетичной) ионной имплантации. ■

3 соответствии с общепринятой классификацией релаксационные механизмы нарушения кристаллической структуры в результате электронных переходов можно разделить на два класса: куло-новские и па-улиевские.

К первому классу относится так называемый кулоновский взрыв, происходящий, как правило, в диэлектриках и широкозонных полупроводниках.

Механизмы перестройки паулиевского типа в твердых телах могут реализовываться в случае сильного электрон-фононного взаимодействия. Соответствующая ситуация может иметь место, если энергия, освобождаемая при рекомбинации электронов и дырок или при распаде экситонов, превышает энергию, необходимую для образования дефектов. В тех полупроводниках и изоляторах, в которых энергия рекомбинации недостаточна для создания дефектов в регулярных участках решетки, создание новых дефектов может осуществиться за счет комбинированного действия тепловых флуктуации и электронных возбужде-'ний или перемещения и преобразования существующих дефектов. Даже для полупроводников и диэлектриков рассматриваемый механизм де~ фектообразования эффективен далеко не всегда и требует выполнения ряда условий.

В металлах передача достаточной для образования дефекта энергии от электронных возбуждений в ядерную подсистему наименее вероятна: из-за отсутствия запрещенной зоны и наличия большого .числа свободных электронов любое индуцированное излучением неравновесное распределение зарядов быстро нейтрализуется, а время жизни электронных возбуждений ввиду большой эффективности их распада значительно сокращается.

Что же касается таких особенностей воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело, как немонотонная зависимость их повреждающей способности от дозы облучения, от порядкового номера и энергии ионов, а также изменение макроскопических размеров аморфных сплавов под действием•таких ионов, то непригодность рассмотренных механизмов для их объяснения также вполне очевидна.

Понятно, что для описания всего многообразия экспериментально наблюдаемых особенностей воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело необходим подход, основанный на качественно иных ме-

ханизмах передачи энергии от электронной в ядерную подсистему твердого тела..

В работе предложена модель воздействия ионов повышенной энергии на твердое тело, основанная на механизме радиационно-стимулированной диффузии, возникающей за счет преимущественной передачи энергии возбуждения электронной подсистемы дефектообразу-ющим атомам, приводящей к существенному увеличению их подвижности.

Суть предлагаемой модели в следующем.

Релаксация электронных возбуждений, внесенных быстрым ионом, на ядерную подсистему твердого тела происходит преимущественно путем передачи энергии атомам, находящимся вне узлов кристаллической решетки твердого тела (междоузельные атомы, атомы, входящие в протяженные дефекты, границы кристаллитов и т.д.).

Действительно, электроны, находящиеся в равновесии с решеткой твердого тела, представляют собой блоховсние волны и рассеиваются на атомах кристалла только в том случае, если они смещены из положения равновесия (например, в результате тепловых колебаний, которые можно рассматривать в качестве динамических дефектов твердого тела). .

Сильно возбужденные электроны, возникшие в результате прохождения быстрого иона, подстраиваются под периодический потенциал возбужденных атомов твердого тела за время электрон - электронной релаксации, значительно меньшее, чем время остывания горячей области (порядка 10"11 ... 10"10 с), и также являются блоховскими волнами. Поэтому они также рассеиваются только на атомах, отклонившихся из положения равновесия.

.В результате на фоне некоторого локального нагрева кристаллической решетки происходит гораздо более существенный селективный нагрев дефектообразувдих атомов, приводящий к значительному повышению подвижности.точечных дефектов, а также распаду протяженных дефектов на точечные. Возможна также трансформация и перемещение протяженных и объемных.дефектов.

Описанные процессы носят сильнонеравновесный характер и протекают за довольно короткие (Ю"10 ... Ю*9 с) промежутки времени. Временной интервал между двумя последовательными прохождениями ионов через одну и ту же область образца в реальных экспериментах

достаточно велик (свыше 1 с). Поэтому происходят как бы последовательные "встряхивания" дефектов кристаллов через большие промежутки времени, за которые возбужденная область твердого тела успевает полностью релаксировать.

Многократные "встряхивания" могут привести к миграции дефектов на довольно большие расстояния. В результате может произойти как пространственное перераспределение дефектов (их трансформация или перемещение по направлению к области наибольшей подвижности дефектообразующих атомов), так и их отжиг (диссоциация) за счет рекомбинации в процессе миграции. Понятно, что многократное встряхивание означает многократное перекрытие облучаемой площади поперечными сечениями треков быстрых ионов.

Таким образом, дефекты в приповерхностной области облучаемого образца возникают в результате "вытягивания" из глубины как собственных (исходных) дефектов, так и радиационных дефектов, возникающих в конце пробега за счет обычного баллистического механизма.

Наряду с таким вытягиванием дефектов существует и конкурирующий с точки зрения дефектообразования в приповерхностной области процесс отжига (рекомбинации, диссоциации) дефектов в процессе их миграции.

Понятно, что чем больше расстояние, на которое необходимо переместиться дефекту, чтобы оказаться в приповерхностной области, то есть, в конечном счете, чем больше тем больше вероятность того, что дефекты в процессе миграции рекомбинируют.

Таким образом, результат воздействия конов повышенной энергии на твердое тело на глубинах t « Я определяется, согласно этой модели, конкуренцией двух противоположных процессов - дефектообразования в результате миграции радиационных дефектов, возникающих в конце пробега ионов за счет обычного баллистического механизма, к поверхности мишени и их релаксации (аннигиляции или образования комплексов) в процессе миграции.

Предложенная модель получила прямой подтверждение с помощью осуществленного в настоящей работе модельного эксперимента' с использованием образца кремния с искусственно созданным слоем Б!^ и позволяет объяснить, хотя бы качественно, весь комплекс экспериментальных данных по ИИПЭ.

Кроме того, проведенный эксперимент обнаружил, что с помощью ионов повышенной энергии можно осуществить эффективный отжиг дефектов в объеме образца между поверхностью и заглубленным слоем, недоступный иным методам обработки полупроводниковых материалов. Это позволяет утверждать, что разработанные в настоящей работе физические основы модификации свойств твердого тела пучками ионов повышенной энергии открывают возможности разработки принципиально новых технологий создания материалов с заранее заданными свойствами.

В заключении приводятся основные итоги диссертации:

1.Б качестве "рамочной" разработана кинетическая теория взаимодействия ускоренных ионов с твердым телом. Указанная теория выведена из первых принципов и основана на методе микроскопической фазовой плотности и нестандартном анализе.

Детальное обоснование возможности применения методов классической статистической физики к описанию взаимодействия быстрых ионов , с твердым телом позволило выявить принципиальные приближения, лежащие в основе кинетического подхода, и обобщить его на случай еще не рассматривавшихся процессов и ион-мишенных комбинаций.

Отличительной особенностью развитой теории является высокая степень ее самосогласованности, означающая возможность вывода коэффициентов кинетических уравнений, описывающих основные механизмы взаимодействия быстрых ионов с твердым телом, из тех же исходных принципов, что и сами уравнения.

В результате удалось теоретически обнаружить • ряд новых эффектов и закономерностей, среди которых: 1

- наличие "тонкой структуры" глобального максимума сечения торможения быстрых ионов в ряде элементарных мишеней;

- влияние особенностей электронной структуры полупроводников, диэлектриков и металлов на сечение торможения быстрых ионов;

- влияние особенностей электронной структуры полупроводников и металлов на зарядовое состояние ионов водорода - наличие нейтральных атомов Н" в металлах и их отсутствие в полупроводниках;

- эффект "звукового барьера" - резкое увеличение сечения тор-

можения иона при приблшении его - скорости к фазовой скорости плазмона; . •

- эффект торможения или ускорения быстрого иона сопутствующей заряженной частицей;

- влияние корреляции тепловых колебаний атомов кристалла на процесс деканалирования быстрых ионов при пониженных температурах и больших глубинах денаналирования;

- существенная роль демпинг-эффекта на больших глубинах проникновения каналированных ионов в кристалл, приводящая к значительному уменьшению выхода деканалированных ионов;

- эффект "сфокусированного" селективного воздействия каналированных ионов на атомы, находящиеся вне плотноупакованных атомных цепочек, вдоль которых двигается частица;

- отличие основных механизмов денаналирования на больших глубинах з многокомпонентных монокристаллах по сравнению с однокомпо-нентными - доминирующая роль ядерной диффузии на атомах "слабых" цепочек в первом случае и электронной диффузии во втором.

Значительная часть предсказанных эффектов и закономерностей нашла свое экспериментальное подтверждение.

¿.Достаточно точное описание основных процессов, сопровождающих прохождение быстрых ионов через твердое тело, позволило построить адекватные модели вторичного излучения (обратнорассеян-ные ионы, характеристическое рентгеновское излучение атомов мишени и продукты ядернйх реакций), возникающего при облучении образцов пучками ионов повышенной энергии.

Это послужило основой для разработки- физических основ ряда оригинальных методов экспериментального исследования как самих процессов взаимодействия ионов с твердым телом, так и условий их протекания, то есть состава и структуры образцов.

С этой целью были развиты специальные методы математической обработки измеренных энергетических и угловых распределений вторичного излучения в рамках как прямой, так и обратной задачи.

В результате были предложены и опробованы следующие методы быстрого ядерного анализа:

- метод определения сечений торможения ионов повышенной энергии в одно- и многокомпонентных поли-, и монокристаллических

мишенях на основе метода POP;

- метод исследования потенциала ион-атомного взаимодействия для случая больших и средних прицельных параметров на основе POP ;

- метод определения концентрации примесных атомов и основных компонентов мишени на основе совместного использования методов POP и ХРИ; ~

- метод определения малых концентраций -собственных дефектов монокристалла на-основе совместного использования методов POP и ХРИ в сочетании с эффектом каналирования; •

З.В свою очередь предложенная теория взаимодействия быстрых ионов с твердым телом и развитые методы анализа конкретных образцов позволили исследовать особенности воздействия ионов повышенной энергии на полупроводники, металлы и'диэлектрики.

Было выявлено, что интенсивное энерговыделение ионами повышенной энергии в электронную подсистему твердого тела приводит к качественному отличию механизмов воздействия таких ионов на полупроводники .

С целью объяснения экспериментально обнаруженных закономерностей предложен теоретически обоснованный механизм такого воздействия, основанный на предположении о селективном нагреве дефекто-образующих атомов за счет преимущественной релаксации на нш электронных возбуждений, внесенных ионом, приводящей к диссоциации или трансформации, комплексов и существенному повышению подвижности точечных дефектов. .

Предложенный механизм позволяет об'яснить весь комплекс наблюдаемых закономерностей ' изменения свойств полупроводников npi имплантации ионов повышенной энергии, в той числе возможность ю глубокой очистки от нарушений кристаллической структуры, котора? недоступна иным методам обработки изделий полупровсдникоао; техники.

В качестве конкретных объектов исследования использовалиа монокристаллы наиболее сироко применяемых в микроэлектронике полупроводниковых материалов - кремния и германия. Для выявлен» универсальных закономерностей ИИПЭ использовался также набор металлов, в том числе и применяемых в качестве конструкционны: материалов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1.Urmanov A.R, Linetskaya A.M., Puzanov A.A. A kinetic Theory for the Motion of Accelerated Particles in Solids. I.Derivation of Basic Equations //phys. stat. sol. (b). 1986. V.136. P.37-49.

2.Urmanov A.R., Grygoriev V.G., Puzanov A.A. A Kinetic Theory for the Motion of Accelerated Particles in Solids. II.Dechanneling in Complex Crystals/Vphys. stat. sol. (b). 1989. V.153. P.65-78.

3.Пузанов A.A., Урманов A.P., Уфуков П.П.Энергетические потери протонов в металлах //Груды X ВСФВЗЧК. U.: Изд-во МГУ, 1980. С.527-529.

4.Пузанов А.А., Урманов А.Р., Уфуков П.П. Потери энергии заряженных частиц в изотропных средах//Радиационно-стимулированные явления в твердых телах. Свердловск, 1980. Вып.2. С.125-128.

5.Модель сечения торможения нерелятивистских протонов / В.Г.Григорьев, Ф.Г.Нешов, А.А.Пузанов, А.Р. Урманов//Труды XI11ВСФВЗЧК. М.: Изд-во МГУ, 1984. С.49-52.

6.Effect of Electronic Structure on Ion Stopping Cross-Section in Solids / V.G.Grygoriev, F.G.Neshov, A.A.Puzanov, A.R.Urmanov// phys. stat. sol. (a). 1984. V.83. P.573-580.

7.Пузанов А.А., Урманов A.P. Метода анализа энергетических спектров обратного рассеяния ионов для исследования, твердотельных образцов//?адкацконно-стимулкрованнкце явления в твердых телах. Свердловск: УШ, 1981. Вып.З. С.3-12.

8.Различие.в сечениях торможения протонов, движущихся в неориентированном направлении в алмазе и графите / В.С.Куликаускас, Ф.Г.Нешов, А.А.Пузанов, А.Р.Урманов, В.П.Шубин//Пксьма в ЖТФ. 1984. Т.10. С.111-113. . '

9.Влияние солитонной составляющей кильватерного потенциалу на торможение ' ионов / В.Г.Григорьев, В.В.Зверев, А.А.Пузанов, А.Р.Урманов//Письма в ЙТФ. 1985. Т.Н. Выл.2. С.101-104.

10.Grygoriev V.G., Legotina N.N., UrnanOv A.R. Reduction in the Yield of Dechanneled Protons Due to Their Stopping //Phys. Lett. A. 1988. V.134. P.54-56.

11.Григорьев В.Г., Леготина Н.Н., Урманов А.Р. Исследование уравнения типа Фоккера-Планка для описания деканалкрования ио-

нов на больших глубинах // Применение вычислительной техники и математических методов s физико-технических исследованиях: Межвузовский сборник научных трудов. Свердловск, 1988. С.23-30.

12.Использование спектров обратного рассеяния для определения энергетических потерь каналированных частиц и функции денанали-рования / Ф.Г.Нешов, А.А.Пузанов, А.Р.Урманов, Н.В.Лебедев // Труды IX ВСФВЗЧК. М.: Изд-во МГУ, 1979. С.143-149.

13.Multiple Scattering and Ion Effective Charge Deviation Effect . on the Energy Spectrum Form of Particles Backscattered from a

Thick Target / A.R.Urmanov, F.G.Neshov, . A.A.Puzanov, v;p.Shubin//Radiat. Effects. 1977. V.33. P.141-145. Н.Григорьев В.Г., Леготина H.H., Урманов A.P.Влияние корреляций тепловых колебаний атомов на деканалирование ионов//Материалы XVI ВСФВЗЧК. М. : Изд-во MÎT, 1987. С.28-30. 15.Двукратное рассеяние быстрых ионов от тонких самоподдерживающихся пленок / С.И.Бажуков, А.В.Кибардин, Т.М.Пяткова,

A.Р.Урманов//ПОВЕРХНОСТЬ. Физика, химия, механика. 1988. N5. С.42-45.

lô.Urmànov A.R., Ba2hukov S.I., Puzanov A.A.Ion-Atom Interaction Potential Effects on the Shape of Energy Spectra of Ions Backscattered by a Thick Target //Radiât. Effects. 1986. V.8S. P.237-248. ■ ;

17.Мизгулин B.H., Нешов Ф.Г., Урманов A.P.К вопросу об описании энергетических спектров обратного рассеяния//Радиационно-стимулированные явления в твердых телах. Свердловск, 1980. Вып.2. С.130-134. 18.Studies of Orientation Dependence of Dechanneling Using Rutherford Backscattering Ш Characteristic X-Ray / A.I.Kosse, F.G.Neshov, A.A.Puzanov, A.R.Urnanov, A.F.Burenkov, F.F.Komarov// Radiât. Effects. 1983. V.77. P.205-21S.

19.Извлечение концентрационных профилей из энергетических спектров обратного рассеяния ионов с учетом ряда искажающих факторов /

B.Н.Багаев, А.А.Пузанов, А.Р.Урманов, П.П.Уфуков, Б.В.Шульгин//Труды XII ВСФВЗЧК. U.: Изд-во МГУ, 1983. С.202-204.

20.Пузанов А.А., Урманов.А.Р., Уфуков П.П.Предварительная обработка спектров обратного рассеяния //Радиационно-стимулированные

явления в твердых телах. Свердловск: УПМ, 1982. Вып.4. С.86-93. 21.Определение коэффициентов поглощения характеристического рентгеновского излучения в твердом телом / А.И.Коссе, Ф.Г.Нешов, А.А.Пузанов, А.Р.Урманов//Труды X ВСФВЗЧК. М.: Изд-во МГУ, 1981. 4.2. С.564-566. 22.Зарядовое состояние ионов водорода в металлах и полупроводниках / С.И.Бажуков, А.В.Кибардин, Т.М.Пяткова, А.Р.Урманов // ЖТФ. 1989. Т.59, Вып.4. С.159-161.

23.The Charge State of Hydrogen Ions in Metals and Semiconductors / S.I.Bazhukov, A.V.Kibardin, T.M.Pyatkova, A.R.Urmanov//Nucl. Instrum. and Meth. Phys.' Res. 1991. V.B58. P.149-156.

24.Создание глубоко залегающих слоев Si^N имплантаций ионов азота с энергией 1,7 МэВ в кремний / А.Л.Городищенский, JI.H.Казак. Ф.Г.Нешов, Г.М.Пяткова, В.Е.Семянников, А.Р.Урманов //Материалы XVIII ВСФВЗЧК. М.: Изд^во МГУ, 1989. С.37-40.

25.High-Energy Implantation Nitrogen into Silicon / R.V.Grybkovsky, P.F.Koniarov, L.A.Kazak, A.P.Novikov, G.M.Pyatkova, A.R.Urmanov//Int. Conf. on Ion Implantation in Semiconductors and Other Materials. Lublin, Poland. 1988. P.70.

26.Peculiar Features of Defect Production due to High Energy Ion Implantation /. L.A.Kazak, F.G.Nesftov, V.E.Semyannikov,

A.R.Urmanov//Physical Research, Akademie - Verlag, Berlin 1990. V.13. P.512-515.

27.Defect Production and Annealing Due to High Energy Ion Implantation / T.A.Belykh, A.L.Gorodischensky, L.A.Kazak, V.E.Semyannikov, A.R.Urmanov/ZNuclear Instr. and Meth. Phys. Res. 1990. V.B51. P.242-246.

29.Радиационное упрочнение висмута ионами азота с энергией 16 МэВ / С.Н.Йукова, Ф.Г.Нешов, А.П.Новиков, А.Р.Урманов. //Физика металлов и металловедение. 1989. Т.68, Вып.2. С.397-399.

30.Модификация механических свойств титана имплантацией ионов азота с энергией 16 МэВ / С.Н.Шукова, Л.А.Казак, Ф.Г.Нешов,

B.Е.Семяннйкоз, А.Р.Урманов.//Тезисы I Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Томск, 1988. Ч.Ш. С.129-131.

31.Упрочнение вольфрама и никеля под воздействием пучка ионов азо-

та 5,8+16 МэВ / Т.А.Белых, Л.А.Назак, Ф.Г.Нешов, В.Е.Семянникрв, А,Р.Урманов//Тезисы II Всесоюзной конференции "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Свердловск, 1991. Т 3. С.116-118.

32.Urmanov A.R. Defect Production and Annealing Due to Relaxation Electron Excitations in Fast Ion Tracks//phys. stat. sol. (b), 1991. V.166. P.9-14. ,

33.Peculiarities of Defect Creation and Amorphysation of Ge at High Energy N*2 Ion Irradiation / T.A.Belykh, V.S.Kulikauskas, V.P.Popov, V.E.Semyannikov, A.R.Urnanov, L.I.Fedina//IBMM'92 Final Program and Abstracts. 1992. Poster P200. P.150.

Подписано в печать 15.04.94 Формат 60x84 1/16

%ыага Плоская печать Усл.п.л. 2,09

Уч.-изд.л. 1,89 Тира» 100. Заказ 250 Бесплатно

Редакцаонно~аздате.тьский отдел УГТУ-УШ 620002, Екатеринбург, УЛУ-УПИ, 8- а учебный корпус -Ротапринт УГТУ-УШ. 620002, Екатеринбург, ШУ-УПИ, 8-й уч.коряус