Ионно-лучевой синтез тонких пленок в неметаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Р V Б " ^ имени В.И.УЛЬЯНОВА-ЛЕНИНА

На правах рукописи УДК 539.21:539.12.04; 538.95-405:539.12.04

ПЕТУХОВ Владимир Юрьевич

ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК В НЕМЕТАЛЛАХ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

КАЗАНЬ 1998

Работа выполнена в Казанском физико-техническом институте им.Е.К.Завойского Казанского научного центра Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Хохлов Л.Ф. доктор физико-математических наук

профессор Голенищев-Кутузов В.А. доктор физико-математических наук

профессор Барышев Н.С.

Ведущая организация:

Физико-технологический институт РАН, г.Москва

Защита диссертации состоится «2^» г в^^асов на

заседании диссертационного совета Д 053.29.02 при Казанском государственном университете им.В.И.Ульянова-Ленина по адресу: 420008, г.Казань, ул.Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан « _» 1998г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д.ф.-м.н., профессор

М.В.Еремин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы ионно-лучевой обработки материалов в последние десятилетия приобретают все большую роль в современной пауке и новых технологиях. Ионно-лучевой синтез (ИЛС), основанный на использовании режима высоко-дозной ионной имплантации (ИИ), но сравнению с традиционными методами получения новых фаз обладает рядом существенных потенциальных преимуществ, среди которых следует выделить следующие: чистота процесса; возможность получения однородной атомной смеси строго контролируемого состава; возможность внедрения ионов на локальных участках мишени и получения заглубленных слоев и многослойных систем, что позволяет эффективно управлять различными физическими и химическими свойствами приповерхностных слоев; возможность проведения имплантации практически при любых доступных температурах, включая низкие; высокая адгезия имплантированных слоев к подложке; высокая воспроизводимость результатов и др.

Такие преимущества открывают широкие перспективы методу ионного синтеза для решения как прикладных, так и чисто научных задач. В промышленности метод уже успешно используется в микроэлектронике (получение различных диэлектрических и полупроводниковых слоев), металловедении - для модификации физических и физико-химических свойств поверхности (увеличение износостойкости, микротвердости, коррозионной и термической стойкости и т.п.), магнитооптике, оптоэлектронике и многих других областях науки и техники. Интерес с научной точки зрения обусловлен тем обстоятельством, что метод ИЛС позволяет

изучать термодинамику неравновесных процессов, а также механизмы зарождения и роста новых фаз в различных твердых телах в зависимости как от состояния и структуры исходной матрицы (монокристаллы, поликристаллы, аморфные матрицы, полимеры и т.п.), так и от режимов и условий синтеза. При этом имеются уникальные возможности прецизионной доставки необходимой компоненты к области синтеза, а также проведения химической реакции при низких температурах всего образца.

Однако, несмотря на большой научный и практический интерес к ионному синтезу, за исключением обзорных докладов на научных конференциях и симпозиумах, обобщающих работ и монографий в этой области до сих пор практически нет. Между тем, многие важные аспекты этого сложного физического процесса к моменту начала данной диссертационной работы оставались либо не изученными, либо дискуссионными. В первую очередь это касается вопросов зарождения и роста новой фазы, механизмов и основных закономерностей ионного синтеза.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы являлось комплексное экспериментальное исследование процессов зарождения и роста новых фаз в различных неметаллических матрицах, протекающих при имплантации быстрых ионов в режиме ионного синтеза, для установления основных закономерностей и особенностей этого неравновесного физического процесса, а также изучение возможностей применения ионного синтеза для формирования тонких субмикронных слоев различных химических соединений для микро- и наноэлектроники, оптики, магнитооптики и других областей науки и техники.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.

1. Установлены и систематизированы основные закономерности и особенности ИЛС в неметаллических матрицах.

2. Впервые методом ионного синтеза в неметаллах сформированы топкие ферромагнитные пленки с высокой температурой Кюри.

3. Впервые предложен и изучен ионный синтез сложных силицидов при одновременной имплантации различных ионов в кремний.

4. Исследовано влияние формы синтезированных частиц новой фазы и их распределения по размерам на магнитные и электрические свойства полученных пленок.

5. Методом ИЛС без какой-либо дополнительной энергетической обработки получены высококачественные мезотаксиальные слои силицидов в кремнии.

6. Получены методом ионного синтеза и исследованы тонкие эпитаксиальные ВТСП пленки УВа2Сиз07.

7. Обнаружен и объяснен эффект аномального распределения атомов железа при одновременной имплантации ионов Со+ и Р"е+ в кремний.

8. Для кремния, бомбардированного ионами с массой М1 > 30, обнаружено явление аномально высокого распухания, обусловленное радиационно - стимулированным порообразованием.

9. Обнаружен и объяснен эффект значительного уменьшения коэффициента отражения света в видимом и ближнем ИК диапазоне для некоторых полупроводников и диэлектриков.

Практическая ценность работы заключается в изучении и установлении оптимальных режимов и условий ионного синтеза различных соединений в неметаллических матрицах. Тонкие ионносинтезированные слои могут быть использованы в разных областях науки и техники: в микро- и наноэлектронике для создания контактов и проводящих дорожек, для магнитной и магнитооптической записи и хранения информации, для получения антиотражающих покрытий в оптике, для формирования полупроводниковых материалов с регулируемой шириной запрещенной зоны и т.п. На основании проведенных исследований получено шесть авторских свидетельств на новые способы получения тонких пленок в неметаллах. Кроме того, практической ценностью данной работы является включение материала некоторых глав в специальный курс лекций по «Радиационной физике твердого тела», читаемый автором в течение ряда лет на физическом факультете Казанского государственного университета.

Ряд результатов исследований, проведенных в рамках диссертационной работы и посвященных получению методом ИЛС и изучению тонких пленок ферромагнитных силицидов в кремнии, были включены в Перечень важнейших достижений но АН СССР в области естественных наук.

Положения, выносимые на защиту.

1. Фазовый состав и кристаллическая структура ионносинтезируемых пленок определяются в значительной степени сходством со структурой исходной матрицы. Наибольшее влияние на ионный синтез оказывают температура образца во время имплантации и плотность потока ионов, меньшее - энергия и доза.

2. Имплантацией ионов Зс1-металлов в неметаллические матрицы при определенных режимах могут быть синтезированы тонкие ферромагнитные слои. Фазовый состав ферромагнитных пленок определяется режимами имплантации и исходной мишенью, они могут состоять как из ферромагнитных химических соединений (например, некоторые силициды в кремнии), так и из частиц внедренного металла (например, a-Fe, Со в полимерах и Si02).

3. Ионноеинтезированные фазы формируются в мелкодисперсном виде. Форма, размер и распределение частиц по размерам определяют магнитные (суперпарамагнетизм, анизотропия сигнала ФМР) и электрические (аномальная температурная зависимость проводимости) свойства синтезированных пленок.

4. Одновременная имплантация ионов 3<1-металлов с близкими массами позволяет сформировать твердые полупроводниковые растворы с регулируемой шириной запрещенной зоны.

5. Аномальное (бимодальное) распределение атомов железа по глубине при одновременной имплантации ионов Fe+ и Со4 в кремний с преобладанием кобальта обусловлено разницей в энергии образования силицидов Со и Fe, большей концентрацией атомов Со, высокой скоростью диффузии атомов Зй-элементов в кремнии и наличием эффективных стоков на передней и задней границах профиля распределения.

6. При ИС ВТСП соединений типа «1-2-3» нанесение тонкого антидиффузионного защитного покрытия позволяет достичь стехиометрического состава и синтезировать в определенном узком температурном диапазоне орторомбическую эпитаксиальную сверхпроводящую пленку.

7. Аномально высокое распухание неметаллических мишеней при высокодозной имплантации обусловлено образованием крупных радиационных вакансионных комплексов (вплоть до микропор).

8. Формирование сильно развитого колончатого микрорельефа поверхности при больших дозах облучения и связанное с этим существенное уменьшение коэффициента отражения в видимом и ближнем ИК диапазоне обусловлено совместным действием ионного распыления, вакансионного порообразования и синтеза мелкодисперсных вторичных фаз.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1-63], включая 6 авторских свидетельств на изобретение. Результаты работы докладывались на следующих Международных конференциях: Рабочих совещаниях по ионной имплантации (Прага, 1981; Балатоналига, 1985); 7-й конференции по ионной имплантации в полупроводниках и других материалах (Вильнюс, 1983); Советско-немецких симпозиумах по микроэлектронике (Москва, 1984; Минск, 1988); Конференции но модификации материалов энергетическими и импульсными пучками частиц (Дрезден, 1987); Советско-Венгерской научной сессии по микроэлектронике (Будапешт, 1988); Конференции по ионной имплантации (Люблин, 1988); 3-й конференции ЕРМ'89 (Дрезден, 1989); Конференции по иошюй имплантации и ионно-лучевому оборудованию (Элените, 1990); Конференции MRS-93 (Бостон, 1993); Симпозиуме но теоретической физике «Коуровка-94» (Коуровка, 1994); XXVII Конгрессе AMPERE (Казань, 1994); 14-м Коллоквиуме по магнитным пленкам и поверхностям (Дюссельдорф, 1994); Конференции MRS-95 (Сан-Франциско,

1995); X Конференции IBMM-96 (Альбукерк, 1996); 5-й Конференции по материалам и механизмам сверхпроводимости и высокотемпературным сверхпроводникам (Пекин, 1997).

На Всесоюзных и Всероссийских конференциях: XI, XII, XIII, XVIII, XIX, XX, XXI Совещаниях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 1981, 1982, 1983, 1988, 1989, 1990, 1991); VI, VII, IX Конференциях по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (Минск, 1981; Минск, 1984; Москва, 1990); V Отраслевой научно-технической конференции по тонким пленкам в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем (Нальчик, 1983); Конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах (Казань, 1984); Конференции по радиационной физике полупроводников и родственных материалов (Ташкент, 1984); VII Конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1986); Х1П Семинаре по радиационной физике полупроводников (Новосибирск, 1987); Конференции но ионно-лучевой модификации материалов (Черноголовка, 1987); I Конференции по физическим и физико-химическим основам микроэлектроники (Вильнюс, 1987); XII Научной конференции rio микроэлектронике (Тбилиси, 1987); I Совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1988); Конференции по иояно-лучевой модификации материалов (Каунас, 1989); V Семинаре по методам получения силицидов и материалов на их основе (Чернигов, 1989); Конференции по электронной микроскопии (Суздаль, 1990); Конференции по прикладной мессбауровской спектроскопии (Казань, 1990); Конференции по ионно-лучевой модификации полупроводников и

других материалов (Новосибирск, 1991); X Конференции но взаимодействию ионов с поверхностью (Звенигород, 1991); I, II, Ш Семинарах по физико-химическим основам ионно-лучевой модификации твердых тел (Нижний Новгород, 1992, 1993, 1996); I Конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993); Конференции Микроэлектроника-94 (Звенигород, 1994); Второй научно-технической конференции но актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (Дивноморское, 1995); Научной конференции по структуре и свойствам кристаллических и аморфных материалов (Нижний Новгород, 1996), а также на различных региональных конференциях.

Структура и объем диссертации.

Структурно диссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав, заключения, авторского списка литературы, списка цитированной литературы и приложения. Диссертационная работа изложена на 311 страницах, включая 90 рисунков, 15 таблиц , список цитированной литературы из 243 наименований и авторский список из 63 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано определение ионно-лучевого синтеза, раскрыты потенциальные преимущества данного метода, показана актуальность настоящих исследований и определена главная цель работы.

В последующих пяти оригинальных главах в начале каждой главы дается краткое изложение состояния проблемы на момент

и

написания, а затем приводятся результаты исследований и их обсуждение.

Ионный синтез проводится в режиме имплантации с высокими дозами и, как правило, при повышенных плотностях потока ионов. Поэтому Г Глава посвящена изучению эффектов, сопутствующих высокодозной и высокоинтенсивной ионной имплантации.

В первом параграфе этой главы рассмотрены процессы нагрева поверхности и приповерхностного слоя мишени при сканирующей ионной имплантации, используемой в большинстве ионных ускорителей. Так как аналитический расчет температурных полей в образце при рассматриваемых условиях невозможен, проведено компьютерное моделирование процесса. Результаты расчетов показали, что для полупроводников, как и для металлов, изменение локальной температуры мишени в течение периода сканирования ионного пучка несущественно (при часто используемых стандартных режимах ИЛС: энергия -100 кэВ, плотность ионного тока -10 мкА/см2). В то же время для некоторых диэлектриков, и в особенности для тонких пленок полимеров с плохим тепловым контактом с кассетой-держателем, локальная температура за время периода сканирования может изменяться на десятки градусов относительно среднего значения за период. Поэтому этот факт всегда должен учитываться при выборе режимов ИЛС в случае высокоинтенсивной имплантации тонкопленочных мишеней из материала с низким коэффициентом температуропроводности и с малой теплоемкостью.

Во втором параграфе данной главы на примере кремния изучен эффект аномально высокого радиационис-

стимулированного распухания (свеллинга) в полупроводниках. Для анализа зависимостей свеллинга от режимов ИИ модифицирована модель вакансионного распухания, основанная на механизме коагуляционного порообразования, учитывающая генерацию точечных дефектов по гауссовскому закону по глубине, аннигиляцию, диффузию и коагуляцию их в более сложные вакансионные комплексы. В результате аналитического расчета получено выражение для зависимости числа вакансионных комплексов, приходящихся на единицу бомбардируемой поверхности (пропорциональное вакансионному распуханию), от режимов имплантации и параметров мишени:

N„0= = -Ф]

о 4« ЕаП

где К.1 - кинетический коэффициент образования дивакансии; Ту - время жизни неравновесных вакансий; Е(1 - пороговая энергия смещения: Б - коэффициент диффузии вакансий: АХ^ - стандартное отклонение профиля распределения генерируемых при ИИ вакансий: (с!Е/(1х)п,шах - максимальное значение потерь энергии на ядерные столкновения на единицу пути: а - параметр, определяемый поверхностной аннигиляцией; Ф, .1 - доза и плотность потока ионов. На основе полученных аналитических зависимостей величины распухания от режимов и условий имплантации дано объяснение экспериментально наблюдаемым результатам.

В третьем параграфе первой главы приведены результаты исследований трансформации микрорельефа поверхности полупроводников и образования, в конечном итоге, колончатой микроструктуры и объяснен экспериментально обнаруженный нами эффект значительного уменьшения коэффициента отражения в видимом и ближнем ИК диапазоне длин волн (эффект почернения). Показано, что такое изменение отражательной способности мишеней, бомбардируемых ионами с высокой дозой, связано с трансформацией микрорельефа поверхности. На основе предложенной модели проведен расчет коэффициента отражения в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн света и дано сравнение с экспериментальными результатами.

Во второй главе диссертации приведены результаты по исследованию процессов ионного синтеза в полупроводниках на примере формирования силицидов при имплантации ионов переходных Зс1-металлов в кремний.

В первом параграфе этой главы изучено влияние режимов и условий имплантации и различных постимплантационных обработок на структуру и фазовый состав ионносинтезированных силицидов в кремнии. Было установлено, что при ионном синтезе существует некоторое пороговое минимальное значение дозы имплантации, с превышением которого наблюдается проявление тех или иных физических свойств новой фазы. Величина этого порогового значения зависит в некоторых пределах как от режимов и условий имплантации, так и от типа бомбардируемой мишени. Для кремниевой мишени при режимах и условиях имплантации, рассматриваемых в данной работе, пороговая доза начала образования силицидов близка к величине ~ 10п ион/см2.

Было установлено, что доза имплантации после формирования первой зарождающейся фазы не влияет существенным образом на фазовый состав синтезируемых силицидов при не слишком высоких дозах ИИ. Определяющее влияние на состав и структуру оказывают плотность потока ионов и температура образца во время имплантации. Установлены области режимов ионного синтеза но плотности потока ионов и температуре для формирования определенных типов силицидов Зё-металлов в кремнии. При этом, в отличие от работ других авторов, была установлена возможность формирования мезотаксиальных слоев некоторых силицидов в кремнии непосредственно в процессе имплантации без каких-либо дополнительных

постимплантационных энергетических воздействий (см. Рис.1).

3

с: *о

5- 1

о

Рис.1. Спектры обратного резерфордовского рассеяния для

(111), имплантированного ионами Со+ с энергией 80кэВ и дозой 2х1017ион/см2 при температуре образца 150°С (а) и 400°С (б)

В этом же параграфе приведены результаты по влиянию различных видов постимплангационной обработки на фазовый состав и структуру ионносинтезированных силицидов. Показано, что при стационарном термическом отжиге с увеличением температуры происходят последовательные изменения фазового

а)

л Со

-— 1

. ч. к I4

200 300 400

Номер канала

состава ИС силицидов в сторону обогащения их кремнием, сопровождающиеся ростом толщины пленки и повышением степени кристалличности. Аналогичные изменения фазового состава и кристаллической структуры наблюдаются и при быстром термическом отжиге. В отличие от стационарного и быстрого термического отжига импульсная лазерная обработка ионносинтезированных силицидов приводит к некоторым интересным особенностям в структуре и их свойствах. При повышенной плотности мощности лазерного пучка синтезируемые силициды образуют ячеистую структуру с достаточно глубоким прорастанием силицидов вглубь кристалла. При этом наблюдается необычайно высокий рост скорости диффузии Зс1-металлов в (на несколько порядков величины).

Во втором параграфе второй главы рассмотрены примеры одновременной имплантации ионов двух различных элементов, впервые предложенной нами для ИЛС сложных Многокомпонентных силицидов в кремнии. Были изучены зависимости фазового состава синтезированных пленок от соотношения ингенсивностей ионов в пучке для различных комбинаций Зс] -элементов. Для системы Si <— Ие + Со+ показано, что в случае, когда концентрация ионов железа больше концентрации ионов кобальта, образуется твердый раствор состава (ТещСох^'г, где величина х зависит от соотношения Ре+ : Со+ в ионном пучке. Если же концентрация кобальта заметно выше концентрации железа, происходит «вытеснение» атомов железа из области внедрения непосредственно в процессе имплантации, причем распределение железа по глубине приобретает аномальную, а именно бимодальную, форму (Рис.2).

V? АП С

б)

О д! *......

^ О 20 40 60 80

Время травления, мин

-- го* „я.^Ц»«**?**"' .

О 20 40 60 80 100

Время травления, мин

Рис.2. Распределение атомов Ре и Со по глубине в 81 после одновременной ИИ Ре+ и Со+ с дозой 2х1017ион/см2 при различных соотношениях ионов в пучке: а) Ре:Со=3:1, б) Ре:Со=1:3

Такое аномальное распределение железа по глубине объяснено нами различием в энергии образования дисилицида кобальта и силицидов железа, большой концентрацией кобальта в области внедрения, высокой скоростью диффузии Зё-элементов в кремнии и наличием эффективных стоков на поверхности и в глубине кристалла за задней границей области внедрения.

В третьем параграфе данной главы приведены результаты по ИЛС тонких ферромагнитных пленок в кремнии. При имплантации в кремний ионов Зс1-металлов с малыми дозами изменения магнитных свойств сводятся, по данным ЭПР, к появлению парамагнитных радиационных центров, таких как А-, Е-, УУ - центры. При больших дозах облучения кремния ионами железа в спектре магнитного резонанса наблюдается интенсивная широкая линия поглощения, обязанная ферромагнитному резонансу. Для объяснения наблюдаемой угловой зависимости спектров рассмотрены особенности ФМР в тонких пленках для различных возможных причин анизотропии. Из сравнения теории с экспериментом сделан вывод о том, что наблюдаемый спектр

ФМР, хорошо описываемый формулой Киттеля для тонкой пленки с эффективным значением намагниченности, обусловлен резонансным поглощением в слабо взаимодействующих ферромагнитных частицах, причем отдельные частицы представляют собой сплюснутые эллипсоиды с большими осями, лежащими в плоскости плсики. При этом весь ансамбль частиц проявляет суперпарамагнитные свойства. Установлено и объяснено влияние метода исследования на проявление суперпарамагпитных свойств синтезированных пленок. На Рис.3 приведены мессбауэровскис спектры конверсионных электронов при наличии (а) и в отсутствии (б) внешнего магнитного поля.

-2 0 2 V, мм'с

Рис.3. Мессбауэровские спектры конверсионных электронов для образца Б), имплантированного ионами железа с дозой 2,5х1017см'2, без внешнего магнитного поля (а) и во внешнем магнитном поле Н=1700Э (б)

Комплексные исследования фазового состава показали, что ферромагнетизм пленки обусловлен образованием ферромагнитного соединения а'-БезБ! либо аморфного сплава состава примерно Рео^Ь.з.

Третья глава диссертации посвящена рассмотрению ИЛС в диэлектриках, в большей степени в полимерах.

В первом параграфе приведены результаты по исследованию ионного синтеза при имплантации ионов 3(1-мсталлов в

полиметилметакрилат (ПММА). При дозах имплантации выше, чем 1017 ион/см2 в полимере появляются мелкодисперсные частицы вторичной фазы (Рис.4а). Рентгеноструктурные, электронографи-ческие и мессбауэровские измерения показали, что основной фазой, образующейся при высокодозной имплантации ионов железа в ПММА во всем диапазоне плотностей ионного тока и темпераг^ры образца во время облучения, являются частицы металлического a-Fe. Было показано, что плотность ионного тока и температура образца при имплантации в случае ПММА ограничена сверху значениями 4мкА/см2 и 80°С из-за возможной деструкции полимера. Форма синтезированных частиц, также как и в случае ИЛС силицидов в кремнии, - сплюснутые эллипсоиды вращения с размерами, распределенными в диапазоне до ~100нм. При этом на гистограмме объемного распределения синтезированной фазы по размерам частиц имеется два максимума: первый относится к малым частицам (до 20 нм), второй - к крупным с диаметром в плоскости пленки 60-100 нм (Рис.4б).

Рис.4. Электронная микрофотография пленки ПММА после имплантации ионов железа с дозой 2,5х1017ион/см2 (а) и гистограмма распределения объемного содержания фазы по размерам (б)

20

40 60 «О 100

Размер частиц, нм

в)

Форма сплюснутых эллипсоидов вращения ферромагнитных частиц железа приводит к существенному отличию эффективного значения намагниченности насыщения Мэфф, вычисленного из спектров ФМР, от известной величины намагниченности для a-Fe.

i

',Л?15Э ' ',88503

-.1 - I ' :•• > ' . : . . i:.-'- V. ■

-i .-i > ■ - . ■ •-■■:■■- : - ." . - V - -■ ■

i 5»9 ч

Рис.5. Спектры ФМР образца ПММА после ИИ ];е+ с дозой Ф= 2,5х10псм"2для двух ориентации магнитного поля

Расчет, проведенный для слабовзаимодействующих ферромагнитных частиц, показывает, что для объяснения таких отличий параметр эллиптичности эллипсоида должна быть порядка [1~0,57 (ц - отношение малой полуоси эллипсоида к большой). Слабое взаимодействие магнитных моментов частиц приводит к их суперпарамагнитному поведению в гранулярной пленке. Образование ферромагнитной пленки в ПММА вызывает также существенное увеличение угла фарадеевского вращения, что весьма важно при использовании таких пленок в магнитооптике. Кроме того, синтез гранулярной металлической пленки в ПММА привел к радикальному изменению электронных и транспортных свойств полимера. Помимо существенного увеличения элекгропроводности при малых дозах имплантации за счет карбонизации полимера дополнительный вклад в

электропроводность связан с образованием системы малых металлических частиц. При этом в случае имплантации в ПММА ионов железа с большой дозой температурная зависимость проводимости в области низких температур имеет необычный вид: <т(Т) ~ Т'\ где (3 ~ 1 и практически не зависит от температуры. Такая зависимость объясняется особенностью распределения частиц металла в образце, заключающейся в бимодальном распределении по размерам. Постимплантационный лазерный отжих синтезированной структуры дает заметное увеличение величины эффективной намагниченности насыщения уже при малых плотностях энергии лазерного излучения. Увеличение Мэфф, как показывают электронномикроскопические исследования, связано с изменением параметра эллиптичности в результате коалесценции ферромагнитных частиц в размягченном во время действия лазерного пучка полимере. Аналогичная коалссценция частиц, приводящая к образованию лабиринтных структур, наблюдалась нами также при имплантации в полимеры ионов с большими плотностями ионного тока, что также способствовало снижению порога миграции частиц.

Во втором параграфе третьей главы показаны особенности ионного синтеза ферромагнитных пленок в другом полимере -полиэтилентерефталате (ПЭТФ). Данный полимер отличается от предыдущего высокой степенью кристалличности, сравнительно высокими температурами плавления и разложения. Отличительными особенностями ИЛС в ПЭТФ является существенно меньшая пороговая доза формирования ферромагнитной фазы (~ в 2 раза) и вдвое большее значение эффективной намагниченности насыщения по сравнению с

пленками в ПММЛ. Такие отличия связаны со структурой и строением ПЭТФ. Во-первых, ПЭТФ - более плотный и жесткий полимер, и поэтому профиль распределения в нем имплантированных ионов уже, и, во-вторых, центров зарождения в нем меньше, что приводит к образованию более крупных и более сплюснутых частиц при меньших дозах.

В третьем параграфе данной главы рассмотрены структура и свойства ионносинтезированных слоев в плавленом кварце. Было обнаружено, что в плавленом кварце при имплантации ионов Зс1-мсталлов с энергией 40 кэВ и дозой, выше чем ~ 1017 ион/см2, формируется тонкая ультрадисперсная пленка, состоящая из частиц металла. При этом электропроводность пленки возрастает на 2 порядка, проявляя пороговый характер по дозе, аналогичный рассмотренному выше для случая имплантации в полимеры. Относительно невысокая электропроводность полученной пленки по сравнению с обычными значениями для ансамбля металлических частиц в диэлектрических матрицах объясняется достаточно высоким коэффициентом ионного распыления использованной в данном эксперименте исходной матрицы, что приводит к образованию ультрадиснерсных частиц металла

малого размера (порядка 50 А). При этом объемная концентрация металла в максимуме распределения по глубине не превышает 25%, что с учетом квазидвумериости системы не обеспечивает эффективного действия перколяционного механизма в электропроводности синтезированной пленки.

Глава IV диссертации посвящена исследованию модификации физических свойств высокотемпературных сверхпроводников методом ионной имплантации.

В первом параграфе приведены результаты по ИЛС ВТСП слоев путем имплантации ионов меди в несверхпроводящую керамику Ег203 - ВаО. Было установлено, что при некоторой пороговой дозе (Ф ~ 1017ион/см2) имплантированный слой приобретает сверхпроводящие свойства. Температура сверхпроводящего перехода Тс сильно зависит от плотности потока ионов, увеличиваясь с ее ростом. Увеличения Тс можно добиться также имплантацией при повышенной температуре мишени. Однако переход в сверхпроводящее состояние оказывается сильно затянутым во всех случаях, что является следствием большого числа радиационных нарушений, а также многофазности синтезированного слоя.

Во втором параграфе четвертой главы изучено влияние ИИ галогенов на фазовый переход исходной тетрагональной керамики состава УВагСизОб в сверхпроводящее соединение с орторомбической структурой. Было установлено, что внедрение ионов хлора в кислороднодефицитпую керамику при определенных условиях приводит к фазовому тетра - орто переходу, сопровождающемуся синтезом соединения УВагСизОхСЛу, обладающего сверхпроводящими свойствами. Для успешного проведения синтеза необходимого соединения имплантация должна проводиться в предварительно нагретую мишень. В этом случае имеет место диффузионное уширение профиля распределения имплантированных ионов, причем большая часть радиационных дефектов отжигается, а кристаллическая структура улучшается.

Третий параграф данной главы посвящен вопросу изучения процесса ИЛС тонких эпитаксиальпых УВагСизСЬ пленок в различных несвсрхпроводящих монокристаллах.

При ИЛС тонких монокристалличсских ВТСП пленок возникает ряд сложных проблем, основной из которых является аморфизация бомбардируемого слоя с соответствующей деградацией сверхпроводящих свойств. Нами установлено, что для предотвращения этого процесса необходимо использовать режим «горячей» имплантации и самоотжиговый режим. Эти режимы позволяют предотвратить аморфизацию исходной мишени. Однако в случае тонкопленочных образцов, вследствие высокой радиационноускоренпой диффузии и наличия близких мощных стоков (поверхность и задняя граница пленки), происходит эффективный уход атомов кислорода и обеднение ими бомбардируемого слоя, что делает невозможным достижение необходимого стехиометрического состава. Поэтому нами предложено высокодозную имплантацию кислорода проводить через тонкие антидиффузионные защитные покрытия. При выполнении указанных условий был определен достаточно узкий диапазон оптимальных значений основных параметров и режимов имплантации (температура, доза, энергия, плотность ионного тока, состав и толщина защитных покрытий), что позволило сформировать монокристаллические ВТСП пленки типа УВа2Си307.

В главе V просуммированы и обобщены основные закономерности ИЛС в неметаллических матрицах.

В первом параграфе рассмотрены механизмы ионно-лучевого синтеза. Изучение механизма ИЛС требует решения двух

основных проблем: установление механизмов зарождения (нуклеапии) и последующего роста новой фазы. Из анализа результатов экспериментального исследования процессов зарождения сделан вывод о том, что при ИЛС преимущественно реализуется гетерогенный механизм зарождения, причем центрами нуклсации часто являются микропоры. Тип и структура первой зарождающейся и растущей фазы определяется величиной свободной энергии системы, которая, как известно, зависит от степени соответствия кристаллической структуры исходного материала и синтезируемой фазы, доставки необходимого "строительного материала", соотношения между поверхностной и объемной энергиями при изменении размеров кристаллитов синтезированной фазы, наличия и типа радиационных нарушений, состояния исходной матрицы, температуры образца и др. С учетом этого первой зарождающейся фазой при ИЛС могут быть либо соединения, содержащие атомы мишени и имплантированные атомы, либо фазы, целиком состоящие из атомов имплантированного элемента. При этом, в первом случае основной синтезируемой фазой будет соединение, построенное на базе структуры исходной мишени и являющееся структурно наиболее близким к ней. Процесс роста новой фазы при ИЛС не ограничен ни диффузией, ни необходимой энергией для инициирования межфазной реакции, и поэтому он определяется кинетическим механизмом, согласно которому синтез нового соединения идет непосредственно во время операции ионного внедрения в результате твердофазной химической реакции, а количество образующейся новой фазы пропорционально дозе имплантации.

Во втором параграфе пятой главы изучен вопрос о фазовом составе иоиносинтезированных пленок. Показано, что при не слишком высоких дозах фазовый состав помимо сходства со структурой исходной мишени зависит также и от режимов имплантации и, в первую очередь, от температуры образца и от плотности потока ионов, в то время как доза имплантации на начальных этапах практически на него не влияет. Однако при больших дозах и малых коэффициентах ионного распыления возможно образование сплошной пленки повой фазы и внедрение в нее дополнительных ионов. Результатом такой имплантации может быть формирование новых соединений, по составу более обогащенных внедренными атомами, Последующие постимплантационные энергетические обработки приводят, обычно, к той же последовательности фазовых и структурных превращений, что и для обычных систем "пленка/подложка", однако фазовые превращения в иоиносинтезированных структурах происходят при заметно более низких температурах.

В третьем параграфе рассмотрена весьма важная, особенно с практической точки зрения, особенность формируемых тонких пленок - их мелкодисперсный характер. Эта особенность обусловлена гетерогенным механизмом зарождения и доставкой недостающего компонента имплантацией непосредственно к центрам нуклеации. При малых размерах частиц в начале роста форма частиц близка к сферической, однако по мере роста частицы становятся сплюснутыми эллипсоидами вращения. Такая форма частиц обусловлена самим характером ионной имплантации: профилями распределения внедренных ионов и радиационных нарушений. Размер синтезированных частиц

определяется несколькими факторами: количеством центров нуклеации, растворимостью внедренных ионов, дозой и коэффициентом ионного распыления. В некоторых случаях распределение количества синтезированной фазы по размерам частиц имеет двугорбый вид. Форма, размер и распределение частиц но размерам определяют магнитные и электрические свойства ионносинтезированных структур. Так, в случае синтеза ферромагнитных гранулярных пленок формирование сплюснутых эллипсоидов вращения обусловливает квазидвумерный характер ферромагнитного резонанса, а малый размер слабо взаимодействующих однодоменных частиц - их суперпарамагнитное поведение. Мелкодисперсность

синтезированных металлических пленок в полупроводниках и диэлектриках определяет перколяционный характер электропроводности пленок. В случае имплантации ионов Зс1-металлов в полимеры из-за бимодального распределения частиц по размерам наблюдается необычный характер температурной зависимости проводимости. Мелкодисперсность синтезированных фаз имеет важное практическое значение с точки зрения формирования различных наноструктур и сверхрешеток.

В четвертом параграфе просуммированы результаты по влиянию ионного распыления на процессы ионного синтеза. Высокие значения коэффициента распыления накладывают ограничения на величину максимально достижимой концентрации внедренных ионов в мишени, что в некоторых случаях делает практически невозможным получение сплошной пленки. При больших дозах имплантации, когда ионносинтезированный слой "выходит" на поверхность, распыление далее идет селективно, что

приводит к формированию сильно развитого микрорельефа. Появление колончатой микроструктуры приводит к существенному уменьшению (до 2-5%) коэффициента отражения в видимом и ближнем ИК областях оптического излучения, что визуально проявляется как почернение имплантированной поверхности образца.

В пятом параграфе рассмотрены примеры ИЛС мсзотаксиальных гетероструктур. Отмечено, что сам механизм зарождения новой фазы при ИЛС предполагает, что ее рост должен происходить, согласуясь со структурой исходной мишени. При этом зародыши новой фазы в принципе должны быть когерентно встроенными в матрицу. Для устранения радиационных дефектов и недопущения аморфизации имплантированного слоя в данной работе использовался метод горячей имплантации. Таким образом были синтезированы мсзотаксиальные силициды Сс^г и N1811, а также мезотаксиальные слои орторомбичсского сверхпроводника УВа2Си307 в тетрагональной пленке УВагСизОб.

В заключепнн подытожены основные результаты работы и сформулированы общие выводы по диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных в данной диссертационной работе комплексных экспериментальных и теоретических исследований были установлены основные закономерности и особенности ионно-лучевого синтеза в неметаллических матрицах, а также изучены возможности практического

применения ионного синтеза для формирования тонких субмикронных слоев различных химических соединений для микро- и наноэлектроники, оптики, магнитооптики и других областей науки и техники. Основные результаты сводятся к следующему.

1. Изучено влияние режимов имплантации на фазовый состав и структуру ионносинтезированных пленок в различных неметаллических матрицах. При ИЛС могут формироваться как соединения, содержащие атомы мишени и имплантированные ионы, так и фазы, целиком состоящие из атомов имплантированного элемента. В первом случае основной синтезируемой фазой будет соединение, построенное на базе структуры исходной мишени и являющееся наиболее структурно близким к ней.

2. Изучены механизмы зарождения и роста новой фазы при ионном синтезе. Показано, что мелкодисперсный характер синтезированных фаз обусловливает проявление ряда особенностей в магнитных, электрических и оптических свойствах полученных пленок. В частности, бимодальное распределение количества синтезированной фазы по размерам частиц объясняет сочетание ферромагнитного и сунериарамагнитного поведения пленок и необычный характер температурной зависимости электропроводности при низких температурах. Форма ферромагнитных частиц в виде сплюснутых эллипсоидов вращения определяет анизотропию магнитных свойств в синтезированных ферромагнитных пленках.

3. Получены зависимости влияния плотносги потока ионов и температуры образца во время облучения на структуру и степень совершенства кристаллической структуры синтезируемого соединения для различных мишеней. Установлены режимы ионного синтеза, приводящие к формированию высококачественных кристаллических соединений непосредственно в процессе имплантации без каких-либо дополнительных энергетических обработок. В случае близкого структурного подобия с материалом мишени возможно образование мезотаксиальных гетероструктур.

4. Показано, что формирование новой фазы при ионном синтезе носит пороговый характер по дозе. Минимальная доза, при которой детектируется появление новой фазы, зависит при фиксированных режимах имплантации от типа мишени и определяется при гетерогенном зарождении концентрацией центров пуклеации.

5. Впервые методом ионного синтеза в неметаллических матрицах получены тонкие ферромагнитные пленки с высокой температурой Кюри. Изучены магнитные свойства ионносинтезированных тонких гранулярных пленок.

6. Впервые предложено использовать одновременную имплантацию ионов различных химических элементов для ионного синтеза многокомпонентных химических соединений за одну операцию по ионному внедрению. Получены полупроводниковые твердые растворы состава (Ре1-хСо*)812 с регулируемой в зависимости от х шириной запрещенной зоны.

7. Показано, что импульсные энергетические обрабо тки ионно-синтезированных слоев обусловливают проявление ряда отличительных особенностей по сравнению с обычными термическими:

• при определенных режимах лазерного отжига, сопровождаемого очень высокой скоростью диффузии имплантированных в кремний ионов Зс1-металов, образуются ячеистые структуры;

• кристаллизация аморфных ионносинтезированных слоев происходит в случае лампового быстрого термического отжига при температурах на -10% меньших, чем при обычных стационарных термических обработках:

• в полимере постимплантационные импульсные обработки могут приводить к заметной диффузии макрочастиц, приводя к их коалесценции и образованию лабиринтных структур.

8. Показано, что имплантацией определенного типа ионов в несверхпроводящую керамику или монокристаллические слои типа "1-2-3" можно синтезировать пленку, проявляющую сверхпроводящие свойства. Изучено влияние имплантации ионов кислорода или галогенов на фазовый переход исходно тетрагональной керамики или монокристаллической пленки состава УВагСщОе в сверхпроводящее соединение с орторомбической структурой. Определены оптимальные режимы ионного синтеза ВТСП пленок, позволяющие избежать аморфизацию ионпосинтезированного слоя, предотвращающие процессы сегрегации и диффузии из пленки ее компонентов.

9. Обнаружен эффект аномально высокого радиационного распухания в кремнии при высокодозной и высокоинтенсивной ИИ. Модифицирована коагуляционная модель порообразования и получено аналитическое выражение, качественно описывающее экспериментальные зависимое™ величины радиационно-стимулированного распухания от режимов имплантации.

10.Обнаружен эффект значительного уменьшения коэффициента отражения в видимом и ближнем ИК диапазонах света у ряда полупроводников и диэлектриком (эффект почернения), связанный с формированием на поверхности облучаемого материала сильно развитого микрорельефа колончатого типа. Предложена модель компьютерного расчета коэффициента отражения таких структур, удовлетворительно описывающая экспериментальные зависимости.

11. Проведено компьютерное моделирование тепловых полей при сканирующей ИИ. Показано, что в случае высоких плотностей ионного тока в тонких пленках полимеров возможен значительный перегрев локальных областей при сканировании ионного пучка, который , безусловно, должен учитываться при отработке оптимальных режимов ИЛС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Кинетика фазовых переходов в кремнии при бомбардировке ионами железа,- Казань, 1980. Деп. ВИНИТИ, № 4697-80 Дел.- 31 с.

2. Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б. Структурные и фазовые превращения в кремнии при бомбардировке большими дозами ионов железа,- Матер. VI Всесоюз. конф. по взаимод. ат. с тв. телом,- Минск: Изд-во МРТИ,-1981.- С.109-111.

3. Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Изменение структуры, магнитных и оптических свойств кремния при имплантации больших доз ионов железа.- Материалы Международного рабочего совещания по ионной имплантации в полупроводники и др. материалы,- Прага, 1981.- С.31-32.

4. Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б. Образование ферромагнитного слоя при ионной имплантации больших доз железа в кремний.-Труды XI Всесоюз. Совещ. по физике взаим. заряж. частиц с крист. М.: Изд-во МГУ,- 1982,- С.461-465.

5. Петухов В.Ю., Хайбуплии И.Б., Зарипов М.М., Манапов Р.А. Магнитные свойства и структура тонкой магнитной пленки, синтезированной при ионной имплантации больших доз железа в кремний,- Тезисы докл. XII Совещания по физике взаимодействия заряж. частиц с кристаллами. -Москва, 1982,-С.137.

6. Способ получения тонких магнитных пленок в полупроводниках/ Авт.: Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М./ А.С. №1114246 с приоритетом от 23.07.82г.

7. Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Модификация структуры и фазового состава кремния при имплантации больших доз Со и N1,- Тезисы докл. XIII Всесоюз. совещ. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами. Москва, Изд-во Моск. ун-та, 1983,- С. 104.

8. Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Ионный синтез и термический отжиг силицидов железа,- Тезисы докл. 7-й Межд. конф. по ионной имплантации в полупров. и др. материалы. Каунас, изд-во КПИ, 1983,- С.301-302.

9. Способ получения черни для поглотителей излучения/ Авт.: Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М./A.C. №1162341 с приоритетом от 17.02.84т.

Ю.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Изменение микрорельефа и оптических свойств кремния при бомбардировке ионами переходной группы железа,- Матер. VII Всссоюз.конф. по взаимод. ат. частиц с тв. телом,- Минск: Изд-во Минск, радиотех. ин-та,- 1984,- Ч.2.- С.29-30.

11.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М., Манапов P.A. Магнитные свойства кремния, имплантированного ионами железа,- ФТТ. -1984. - Т.26, вып.5. - С.1392-1397.

12.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М., Гретцшел Р., Вельсков М., Клабес Р. Исследование силицидов, полученных имплантацией железа в кремний,- В кн.: Симпозиум по микроэлектронике ( в рамках двухстороннего сотрудничества АН СССР и АН ГДР) / Сб. тезисов докладов. М.: МЦНТИ,

1984,- С.13-16.

13.Зарипов М.М., Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б. Применение ионной имплантации для синтеза тонких пленок силицидов,-Электронная промышленность,- 1985,- Вып.2 (140).- С.37-39.

14,Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Модификация структуры и фазового состава кремния при имплантации больших доз Со и Ni.- Поверхность. Физика, химия, механика.-

1985.-№2,- С.104-107.

15.Петухов В.Ю. Исследование кремния, имплантированного большими дозами ионов переходных элементов группы железа. -Дисс. канд. физ.-мат. наук - Казань, 1985. - 176 с.

16.Petukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Zaripov M.M., Groetzschel R., Voelskow M., Klabes R. Investigation of Silicides obtained by Fe+ Implantation into Silicon.-Phys. stat. sol.(a).- 1986,- V.96.-P.463-468.

17.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Курбатова H.B. Влияние лазерного отжига на электропроводность кремния, имплантированного ионами хрома с высокой дозой.-Приложение к тезисам докл. Первой Всес. копф. по физическим и физ.-хим. основам микроэлектроники (Вильнюс, 1987).-Москва, 1987,- С. 12-13.

18.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Зарипов М.М. Исследование пленок силицидов, выращенных с применением ионных и световых пучков.- Тезисы докл. XII Всесоюз. научн. конф. по микроэлектронике,- Тбилиси, 26-28 окт. 1987г.- 4.VII.- С. 119120.

19.Petukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Kurbatova N.V., Wieser E., Groetzschel R. Electrical resistivity of silicon implanted by high dose Cr+-ions after laser annealing.- Phys.Res.-1988,- V.8.- P.350-353.

20.Petukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Kurbatova N.V., Groetzschel R. Laser induced modification of silicon implanted by high dose Ti+ ions.- Abstracts of Int. Conf. on Ion implantation in semiconductors and other materials, Lublin, Poland, 12-17 Sept. 1988,- Inst, of Phys. Marie Curie-Sklodowska University, Lublin, Poland, 1988,- P. 136.

21.Khaibullin I.B., Petukhov V.Yu. Study of silicon implanted by high dose of iron group transition metals.- Phys.Res.- 1988,- V.8.- P.29-38.

22.Petukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Zaripov M.M., Wieser E., Groetzschel R. Formation of epitaxial NiSi2 layer by high dose ion implantation and rapid thermal annealing.- Phys. Res.- 1988,- V.8.- P.341-343.

23.Petukhov V.Yu, Ilaldinov I.Z., Khaibullin I.B., Wollschlager K.. Study of electrical and optical properties of fused quartz implanted by high dose Cr+ and Fe+ ions - Phys.Rcs.- 1988,- V.8.- P.387-389.

24.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Визер Э., Гретчел Р. Исследование эпитаксиального роста силицидов никеля, стимулированного ионными и световыми пучками,- Тезисы докл. Симпозиума по микроэлектронике (в рамках двустороннего сотрудничества АН СССР и АН ГДР).- Москва,

1988,- С.47-48.

25.Петухов В.Ю., Григорьев JI.C., Куковицкий Е.Ф., Хайбуллин И.Б. Ионный синтез тонких сверхпроводящих слоев Er-Ba-Cu-О.- Тезисы докл. I Всес. Совещ. По высокотемпературной сверхпроводимости. Харьков, 1988,-Т.З.-С.68-69.

26.Способ получения тонких сверхпроводящих пленок/ Авт.: Петухов В.Ю., Григорьев JI.C., Куковицкий Е.Ф., Хайбуллин И.Б.- А.С. №1572359.-С приоритетом от 25 сентября 1988.

27.Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Визер Э., Гретчел Р. Образование эпитаксиального слоя NiSii в имплантированном никелем кремнии. - Поверхность . Физика, химия, механика,-

1989.- N 10.- С.105-109.

28.Петухов В.Ю., Пономарев Ю.В., Савельев А.Б., Хайбуллин И.Б. Локальный атомарный порядок силицидов, полученных ионной имплантацией в кремний,- Материалы 9 Всес. конф. по взаимод. атомных частиц с тв. телом,- Москва, 1989.- Т.2.-С.228-230.

29.Pctukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Zaripov M.M., Wieser E„ Groetzschel R., Bartsch H. Formation of epitaxial NiSi2 by high dose implantation and rapid thermal annealing.- Phys.stat. sol.(a).-1990.-У.117, N2,- P.477-484.

30.Khaibullin I.B., Petukhov V.Yu., Zakirov G.G., Ibragimova M.I. Pore formation and swelling in semiconductors stimulated by ion implantation.- Abstr. of Int. Conf. IIIB, 24-28 Sept. 1990,- Bulgaria, Elenite.- P.26.

31.Бухараев A.A., Назаров A.B., Петухов В.Ю., Салихов К.М. Исследование поверхности имплантированного кремния с помощью сканирующего туннельного микроскопа.- Письма в ЖТФ.- 1990,-Т.16, вып.6,- С.8-11.

32.Способ получения мезотаксиальных слоев дисилицида кобальта в кремнии/ Авт.: Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Гумаров Г.Г. / Положит, решение по заявке № 4826971/25 055638 от 18.05.90г.

33.Хабибуллина Н.Р., Петухов В.Ю. Исследование магнитных свойств и структуры тонких пленок, полученных имплантацией ионов железа в полимстилметакрилаг. -Матер.конф. молодых ученых КФТИ-90. - Препринт,- Казань, 1990.- С.27-31.

34.Петухов В.Ю., Жихарев В.А., Маковский В.Ф., Осин Ю.Н., Митряйкина М.А., Хайбуллин И.Б., Абдуллин С.Н. Структура и фазовый состав тонких пленок, полученных имплантацией ионов железа в полиметилметакрилат. - Поверхность. Физика, химия, механика.- 1990,- N 4,- С.27-33.

35.Petukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Gumarov G.G. Groetzschel R. Formation of mesotaxial CoSiî layer at high dose ion Co+ implantation ito silicon.- Abstr. of Int. Conf. IIIBE, 24-28 Sept. 1990.- Bulgaria, Elenite.- P.8.

36.Petukhov V.Yu., Grigoriev L.S., Kukovitskii E.F., IChaibullin I.B. Formation of thin superconducting films by Cu+ implantation.-Phys.Res.- 1990,- V.13.- P.495-496.

37.Григорьев Jl.С., Петухов В.Ю. Таланов Ю.И., Тейтельбаум Г.Б., Хайбуллин И.Б., Шустов В.А., Ионов A.M. Влияние имплантации ионов хлора на свойства тетрагональной керамики Y-Ba-Cu-O.- Сверхпроводимость: физика, химия, техника,-1991.- Т.4, N 4,- С. 797-800.

38.Бухараев A.A., Назаров A.B., Петухов В.Ю., Салихов K.M. Исследование с помощью сканирующего туннельного микроскопа образования колончатых структур на поверхности кремния после ионной бомбардировки.- Матер. XX Всесоюз.совещ. по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами,- М.: Изд-во Моск. ун-та,-1991,- С. 146-148.

39.Петухов В.Ю., Таланов Ю.И., Тейтельбаум Г.Б., Хайбуллин И.Б., Шустов В.А. Формирование тонких пленок высокотемпературного сверхпроводника имплантацией ионов хлора в тетрагональную керамику Y-Ba-Cu-O.- Тезисы докл. III Всес. конф. по ионно-лучевой модификации полупроводников и др. матер, микроэлектроники. -Новосибирск, 4-6 июня 1991.- С. 135.

40.3акиров Г.Г., Ибрагимова М.И., Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б. Процессы распыления и порообразования в полупроводниках при ионной имплантации,- Матер. 10 Всесоюз. копф. по взаимод. ионов с поверх. М,- 1991.- Т.1.-С. 142-144.

41,Гумаров Г.Г., Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б., Шустов В.А. Влияние плотности потока ионов на структуру и фазовый состав слоев, полученных имплантацией Со+ в Si. - Матер. XX Всес.

совет, по физике взаимод. заряж. частиц с кристаллами,- Изд-во Моск. ун-та, 1991.- С.149-151.

42.Ибратимова М.И., Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б. Радиационное распухание и распыление CdxHgi-xTe при ионной имплантации ионов в больших дозах,- ФТП.- 1993.- Т.27, вып.4,-С.560-566.

43.Petukhov V.Yu., Khaibullin I.B., Gumarov G.G. Formation of silicides under simultaneous implantation of Fe+ and Co+ ions into silicon.- Abstracts of 1993 Fall Meeting MRS.- Boston, Nov.29-Dcc.3.- P.45.

44.Петухов В.Ю., Жихарев B.A., Хабибуллина H.P., Хайбуллин И.Б. Магнитные свойства и структура поверхностных слоев, полученных в ПММА имплантацией ионов Fe+.- Высокочистые вещества,- 1993,- N3,- С.45-48.

45.Petukhov V., Zhikharev V., Makovskii V., Zheglov E., Ibragimova M., Khaibullin I.B. Phase composition of thin ferromagnetic films obtained by ion implantation in PMMA. - Proc. of 14-th Inter. Colloqium on Magnetic Films and Surfaces, 29 Aug. - 2 Sept. 1994. Dusseldorf, Germany.- P.363-364.

46.Петухов В.Ю., Гумаров Г.Г., Хайбуллин И.Б., Шустов В.А., Панкнин Д. Фазовый состав тонких пленок силицидов, полученных одновременной и пошаговой имплантацией ионов Fe+ и Со+ в кремний.- Тезисы докл. Российской конф. "Микроэлектроника-94", Москва, 1994,- Ч.1.- С.263-264.

47.Гумаров Г.Г., Петухов В.Ю., Маковский В.Ф., Хайбуллин И.Б. Распределение атомов Fe и Со при их одновременной имплантации в Si.- Материалы конф. по физике и технике плазмы,- Минск, 1994,- Т.1.- С.197-200.

48.Petukhov V.Yu., Zhikharev V.A., Zheglov E.P., Azarov I., Khaibullin I.B. Ferromagnetic resonance of granular thin films created in polymers by ion implantation.- Ext. abstracts of the XXVIIth Congress Ampere on Magnetic resonance and related phenomena. Kazan, August 21-28, 1994. V.l- P.370-371.

49.Базаров B.B., Жихарев B.A., Петухов В.Ю., Осин Ю.Н., Хайбуллин И.Б. Проводимость ПММА, имплантированного ионами железа,- Тезисы докл. Российской конф. «Микроэлектроника - 94», Москва, 1994. - 4.1. - С. 149-150.

50.Гумаров Г.Г., Петухов В.Ю., Шустов В.А., Хайбуллин И.Б. Температурная зависимость иопно-лучевого синтеза силицидов при одновременной имплантации ионов Fe+ и Со+ в Si.-Высокочистые вещества.- 1995,-№2,- С.94-97.

51.Научно-технический отчет АН Татарстана по теме "Поиск и создание новых сред на основе полимеров для магнитооптической записи информации с использованием пучков быстрых ионов и лазерного излучения"// Авт.: Хайбуллин И.Б., Петухов В.Ю. и др.- Казань,1995,- 22 с.

52.Гумаров Г.Г., Петухов В.Ю., Хайбуллин И.Б. Особенности распределения по глубине атомов Fe и Со при их одновременной имплантации в кремний.- Труды второй Всероссийской научно-технической конференции по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники. -Таганрог, 1995,-С.22-24.

53.Bazarov V.V., Petukhov V.Yu., Zhikharev V.A., Khaibullin I.B. Conductivity of the granular metal films obtained by high dose ion implantation into PMMA.- Proc.Mater.Res.Soc.- 1995.- P.417-421.

54.Поиск и создание новых регистрирующих сред на основе полимеров для магнитооптической записи информации с использованием пучков быстрых ионов и лазерного излучения/ Хайбуллин И.Б., Петухов В.Ю. и др.- Отчет КФТИ КНЦ РАН по договору N 04-10/95,- Казань, 1995,- 28 с.

55.Petukhov V.Yu., Ibragimova M.I., Zheglov E.P., Khaibullin I.B. Ferromagnetic thin films in polymethylmethacrylate implanted iron.-Abstr. of X Inter. Conf. IBMM'96 - Albuguerque, USA, September 1-6, 1996.-P. F 43.

56.Petukhov V., Zhikharev V., Ibragimova M., Zheglov E., Bazarov V., Khaibullin I. Ion synthesis of thin granular ferromagnetic in polymethylmethacrylate.- Solid State Communications.- 1996,- V.97, N5.-P.361-364.

57.Петухов В.Ю., Ибрагимова М.И., Осин Ю.Н., Хайбуллин И.Б. Структура и фазовый состав тонких пленок, полученных имплантацией ионов Со+ в ПММА.- Тезисы докл. Всеросс. коиф. по структуре и свойствам крист. и аморф. матер.- Нижний Новгород, 12-14 марта 1996.- С.81-82.

58.Bazarov V.V., Petukhov V.Yu., Faizrakhmanov I.A., Gumarov G.G., Shustov V.A., Zheglov E.P., Zhikharev V.A., Khaibullin I.B. Formation of Thin Superconducting YBaCuO Layers by Oxygen Implantation.- Abstr. of 5 Int.Conf.M2S-HTSC-V.- Beijing, China, 1997,- P.45

59.Гумаров Г.Г., Петухов В.Ю., Шустов B.A., Хайбуллин И.Б., Вагизов Ф.Г. Исследование влияния плотности ионного тока на фазовый состав и структуру силицидов, синтезированных методом ионной имплантации.-Неорганич.матер.-1997,-принято в печать.

60.Гумаров Г.Г., Петухов В.Ю., Жихарев В.А., Шустов В.А., Хайбуллин И.Б. Аномальное распределение атомов железа при одновременной имплантации ионов Со+ и Fe+ в кремний,- ФТП-1997.-Т.31, №6,- С.719-721.

61.Способ получения тонких магнитных пленок в полимерах /Авт.: Петухов В.Ю., Ибрагимова М.И., Хайбуллин И.Б.-Положит. решение на заявку на изобретение N97101227, с приоритетом от 29.01.97.

62.Gumarov G.G., Petukhov V.Yu., Shustov V.A., Khaibullin I.B. Effect of ion current density on the phase composition of ion beam synthesized iron silicides in Si (100).- Nucl. Instr.& Meth. in Phys. Res. В.- 1997,-V. 127/128,-P.321-323.

63.Bazarov V.V., Petukhov V.Yu., Faizrakhmanov I.A., Gumarov G.G., Shustov V.A., Zheglov E.P., Zhikharev V.A., Khaibullin I.B. Formation of thin superconducting YBaCuO layers by oxygen implantation.-PhysicaC.- 1997,-V.282-287.-P.589-590.

г -

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КАЗАНСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР КАЗАНСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. Е.К.ЗАВОЙСКО! О

49. - ьъ

ПЕТУХОВ Владимир Юрьевич

ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК В НЕМЕТАЛЛАХ

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

УДК 539.21:539.12.04; 538.95-405:539.12.04

КАЗАНЬ -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ..................6

ВВЕДЕНИЕ.....................................................9

ГЛАВА I. ЭФФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ВЫСОКОДОЗНОЙ

И ВЫСОКО ИНТЕНСИВНОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ .25 1.1. Нагрев образца при квазинепрерывной ионной

имплантации.........................................26

1.1.1. Расчет температурных полей в образце при сканирующей ионной имплантации................29

1.1.2. Компьютерное моделирование тепловых полей.......32

1.2. Аномально высокое радиационное распухание (свеллинг).....34

1.2.1. Модель вакансионного радиационно-стимулиро-ванного распухания..............................38

1.2.2. Экспериментальные зависимости вакансионного распухания от режимов и условий имплантации

для различных исходных матриц...................44

1.3. Изменение микрорельефа и оптических свойств.

Эффект почернения..................................65

1.3.1. Трансформация микрорельефа поверхности в процессе ионной имплантации............................66

1.3.2. Изменение коэффициента отражения полупроводников, имплантированных ионами с большой дозой........72

Выводы по Главе I.......................................80

ГЛАВА II. ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ: ФОРМИРОВАНИЕ СИЛИЦИДОВ 31) - МЕТАЛЛОВ В КРЕМНИИ..........................................82

2.1. Структура и фазовый состав ионносинтезированных

силицидов в кремнии...................................82

2.1.1. Дозовая зависимость фазового состава. Минимальная доза начала ионного синтеза...................... 83

2.1.2. Влияние плотности потока ионов и температуры образца

на фазовый состав ионносинтезированных силицидов . .88

2.1.3. Фазовый состав мезотаксиальных слоев силицидов ... 98

2.1.4. Влияние постимплантационных обработок......... 104

A. Термический отжиг.......................... 104

Б. Лазерная обработка.......................... 110

B. Быстрый термический отжиг...................117

2.2. Ионный синтез при одновременной имплантации...........125

2.2.1. Синтез сложных силицидов.......................127

2.2.2. Аномальное распределение атомов железа при одновременной имплантации ионов Fe и Со в кремний . .136

2.3. Ионно-лучевой синтез тонких ферромагнитных пленок в кремнии..............................................140

2.3.1. Изменение магнитных свойств кремния при имплантации Зс1-элементов с малыми дозами........141

2.3.2. Образование ферромагнитного слоя при имплантации

ионов Fe+ в Si............................ . .144

Особенности ФМР в тонких пленках..............145

1. Одноосная анизотропия.......................147

2. Одноосная анизотропия в плоскости пленки.......148

3. Магнитокристаллическая анизотропия...........149

A. Поликристалл. Модель независимых зерен . . 149 Б. Гранулярная тонкая магнитная пленка Модель диполь-дипольно взаимодействующих сферических частиц.........................150

B. Гранулярная тонкая магнитная пленка. Несферические частицы..................... 151

2.3.3. Зависимость магнитных свойств от режимов имплантации...................................153

2.3.4. Структура тонких ферромагнитных пленок Суперпарамагнетизм ионносинтезированных тонкой ферромагнитной пленки..........................160

2.3.4.1. Суперпарамагнитное поведение тонкой гранулярной ферромагнитной пленки.......165

2.3.4.2. Размер и форма суперпарамагнитных частиц . .167 Выводы по Главе II. .....................................170

ГЛАВА III. ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ В ДИЭЛЕКТРИКАХ И

ПОЛИМЕРАХ........ . . ................... . ........172

3.1. Имплантация ионов Зс1-металлов в полиметилметакрилат .... 174

3.1.1. Структура и фазовый состав.......................176

3.1.2. Магнитные и магнитооптические свойства..........183

3.1.3. Электрические свойства..........................190

3.1.4. Влияние постимплантационных энергетических обработок......................................194

3.2. Особенности ионного синтеза ферромагнитных пленок в полиэтилентерефталате.................................198

3.3. Ионно-лучевой синтез в кварце...........................201

Выводы по Главе III......................................208

ГЛАВА IV. ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ..............................209

4.1. Ионно-лучевой синтез ВТСП пленок при бомбардировке керамики ЕГ2О3 - ВаО ионами Си+........................211

4.2. Тетра-орто переход, индуцированный имплантацией ионов

галогенов в несверхпроводящую керамику УВагСщОб......217

4.3. Получение тонких эпитаксиальных высокотемпературных УВагСизОу пленок методом ионно-лучевого синтеза..............227

4.3.1. Проблемы и особенности, возникающие при имплантации ионов в тонкие монокристаллические слои типа "1-2-3" ...............................227

4.3.2. Имплантация ионов кислорода....................229

Выводы по Главе IV......................................252

ГЛАВА V. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ

ИОННО-ЛУЧЕВОГО СИНТЕЗА В НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТРИЦАХ.........................................253

5.1. Механизмы ионно-лучевого синтеза....................253

5.1.1. Зарождение новой фазы..........................253

5.1.2. Первая зарождающаяся фаза......................255

5.1.3. Рост новой фазы. Кинетический механизм роста.....264

5.2. Фазовый состав ионносинтезированных пленок...........265

5.2.1. Влияние температуры образца во время имплантации и плотности потока ионов на фазовый состав первой зарождающейся фазы.............................266

5.2.2. Изменение фазового состава по мере набора дозы .... 267

5.2.3. Влияние последующих энергетических обработок .... 268

5.3. Мелкодисперсность ионносинтезированных слоев........269

5.3.1. Формирование наноструктур и сверхрешеток........270

5.3.2. . Магнитные и электрические свойства гранулярных

ионносинтезированных пленок...................273

5.4. Влияние ионного распыления на процессы ионно-лучевого синтеза...............................................274

5.4.1. Изменение микрорельефа поверхности при ионно-лучевом синтезе..........................274

5.4.2. Ограничения по концентрации синтезированной фазы вследствие ионного распыления...................275

5.4.3. Изменение оптических свойств....................276

5.5. Ионно-лучевой синтез мезотаксиальных гетероструктур.....276

ВЫВОДЫ...... .............................................279

ЛИТЕРАТУРА................................................ 282

АВТОРСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................... ..... 303

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................311

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

А - параметр обменного взаимодействия A (r,t) - функция потерь энергии а, Ь, с - постоянные решетки С - теплоемкость

С(х) - концентрация атомов (ионов )

Сп - слоевая концентрация внедренных атомов

D - коэффициент диффузии

AD - разность размагничивающих факторов для эллипсоида вращения в

направлениях малой и большой полуоси d - толщина имплантированного слоя

d30 - глубина десятикратного ослабления рентгеновского пучка

Е - энергия ионов

Ed - пороговая энергия смещения

Ек - энергетический барьер комплексообразования

Ещ - энергия миграции вакансий

AEg- ширина запрещенной зоны

8Ек-калибровочный множитель в ОРР

(dE\

— - максимальное значение потерь энергии на ядерные л,max

столкновения на единицу пути AEq - квадрупольное расщепление 5Е - изомерный сдвиг f - частота сканирования пучка ионов G - электропроводность G(F,/) - функция источника энергии G( х, t) - скорость генерации вакансий g - g-фактор

Н - коэффициент, характеризующий тепловой поток из пластины в

подложку На - внутреннее поле анизотропии Нс- коэрцитивная сила Hi - внутреннее магнитное поле на ядре Н0 - резонансное магнитное поле

На - величина выхода в канале для ионов, рассеянных на атомах (Si) Нэфф - эффективное поле анизотропии АН - ширина линии магнитного резонанса

h - величина ступеньки на границе облученной и необлученной части образцов

j - плотность ионного тока (плотность потока ионов) Ка - константа одноосной магнитной анизотропии

Ki - кинетический коэффициент образования вакансионного комплекса

из (i + 1) вакансии к - постоянная Больцмана L - амплитуда сканирования пучка

Ьу - длина диффузии вакансий

1 - ширина пучка ионов

I - размер неоднородностей

Мл - масса бомбардирующего иона

Мв - намагниченность насыщения

Мэфф - эффективная намагниченность насыщения

N1,- концентрации элементарных точечных дефектов - компонентов пар Френкеля

N1 - концентрация комплекса из ¡-вакансий

Кто - число вакансионных комплексов из т-вакансий, отнесенных к единице

площади поверхности Кх, N2 -размагничивающие факторы п -коэффициент преломления Я - нормаль к поверхности Р - мощность

Я - коэффициент отражения

Яр, АЯр - средний проецированный пробег ионов и стандартное отклонение Яв - слоевое сопротивление

Б - коэффициент распыления (ионного травления)

- скорость поверхностной аннигиляции вакансий Т - температура

Тк -температура Кюри

Тс - температура сверхпроводящего перехода Тв - температура образца во время имплантации Тотж - температура отжига АТс - ширина сверхпроводящего перехода I - время

- характеристическое время измерения V - объем частицы

- плотность энергии

Ха, АХ а - среднее значение и стандартное отклонение профиля

распределения вакансий XI - "выключатель" пучка ионов х - относительная концентрация

а - температурный коэффициент сопротивления ар - Фарадеевский угол вращения поляризации

(3- угол скольжения рентгеновского пучка относительно поверхности

образца у - гиромагнитное отношение е - излучательная способность

- эффективное поперечное сечение

г| - коэффициент ослабления рентгеновского пучка 9 - угол между М5 и Я

Он - угол между Н0 и Я

А/г - коэффициент теплопроводности

А, - длина волны света

/л - магнитный момент частицы

- отношение малой оси эллипсоида вращения к большой vs - поверхностная плотность частиц р- плотность

ре - удельное сопротивление о - постоянная Стефана-Больцмана

asi - дифференциальное сечение рассеяния для атомов (Si) г - время тепловых флуктуаций

Тс - характеристическое время комплексообразования XD- время диффузии

ту - время жизни неравновесных вакансий Ф - доза имплантации Фа - доза аморфизации

ф - угол между fi и Н

Xmin - минимальный выход обратнорассеянных каналированных ионов со - круговая частота СВЧ колебаний

а -аморфная

БИС - большая интегральная схема

БТО - быстрый термический отжиг

ВТСП - высокотемпературный сверхпроводник

ДТМА - дифференциальный термомагнитный анализ

ИИ - ионная имплантация

ИК - инфракрасный

ИЛС (ИС) - ионно-лучевой (ионный) синтез КРТ - твердый раствор кадмий-ртуть-теллур

МСКЭ - мессбауэровская спектроскопия конверсионных электронов

ОРР - обратное резерфордовское рассеяние

ОЦК - объемноцентрированная кубическая

ПММА - полиметилметакрилат

ПЭТФ - полиэтилентерефталат

р - поликристаллическая

РФА - рентгеновский флюоресцентный анализ

с - монокристаллическая

СБИС - сверхбольшие интегральные схемы

СКВИД - сверхпроводящий квантовый магнитометр

ТО - термический отжиг

ТМП - тонкая магнитная пленка

ТФП - тонкая ферромагнитная пленка

ФМР - ферромагнитный резонанс

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

ВВЕДЕНИЕ

Ионный или ионно-лучевой синтез ШЛС) - это процесс формирования с применением ионной имплантации (ИИ) новых фаз, отличных от исходной мишени по структуре и составу и состоящих из атомов матрицы и (или) внедренных атомов [1-4].

Первой опубликованной работой по ИЛС, по нашему мнению, следует считать статью М.И.Гусевой и Б.В.Александрия [5] (1961г.), где было показано, что при внедрении ионов и Ag+ с энергией 20 кэВ в медные подложки образуются новые фазы - тонкие слои, состоящие из атомов кремния и серебра, а также включений оксидов: БЮг, Ag20 и СиО. Позже появились работы М.Ватанабе [6] (1966), П.В.Павлова [7] (1967), А.Е.Городецкого [8] (1968) и другие. Однако до начала 80-х годов работ по ИЛС было не слишком много, и главная причина этого заключалась в отсутствии достаточно мощных ионных ускорителей.

Обычно, при ионном синтезе энергия внедряемых ионов составляет от десятков кэВ до единиц МэВ, доза - более 1016ион/см2 (когда концентрация внедряемых ионов становится достаточной для формирования необходимого количества новой фазы), температура мишени при облучении может быть как повышенной (до ~1000°С), так и комнатной или ниже, а плотность потока ионов обычно находится в пределах 1013 - 101бион/см2с.

Синтезируемые фазы формируются в тонком приповерхностном слое (< 1 мкм) в аморфном или кристаллическом состоянии непосредственно в процессе имплантации. Часто для кристаллизации и улучшения структуры синтезируемого соединения или для проведения последующих химических реакций используют постимплантационный термический или импульсный световой, электронный, ионный и другие виды отжига.

Так как ИЛС основан на использовании ионной имплантации, то можно было ожидать, что, благодаря некоторым уникальным особенностям ИИ, удастся реализовать ряд существенных преимуществ метода по сравнению с традиционными технологиями получения тонких пленок. Среди таких особенностей ИИ следует отметить следующие [1-4, А1]:

• чистота процесса;

• возможность получения однородной атомной смеси строго контролируемого состава;

• высокая воспроизводимость результатов;

• возможность получения заглубленных слоев и многослойных систем, что позволяет управлять различными химическими и механическими свойствами приповерхностных слоев;

• возможность проведения имплантации в широком интервале температур, включая как высокие, так и предельно низкие;

• высокая адгезия имплантированных слоев к подложке;

• возможность внедрения ионов на локальных участках мишени.

Метод ионного синтеза перспективен для решения как прикладных, так и чисто научных задач. В промышленности метод уже успешно используется в микроэлектронике (получение различных диэлектрических и полупроводниковых слоев), металловедении - для модификации физических и физико-химических свойств поверхности (увеличение износостойкости, микротвердости, коррозионной и термической стойкости и т.п.), магнитооптике, оптоэлектронике и многих других областях науки и техники.

Интерес с научной точки зрения обусловлен тем обстоятельством, что метод ионного синтеза позволяет изучать термодинамику неравновесных процессов, а также механизмы зарождения и роста новых фаз в различных твердых телах в зависимости как от состояния и структуры исходной матрицы (монокристаллы, поликристаллы, аморфные матрицы, полимеры и т.п.), так и от режимов и условий синтеза. При этом имеются уникальные возможности прецизионной доставки необходимой компоненты к области синтеза, а также проведения химической реакции при низких температурах всего образца.

Однако, несмотря на большой научный и практический интерес к ионному синтезу, за исключением обзорных докладов на научных конференциях и симпозиумах, обобщающих работ и монографий в этой области до сих пор практически нет. Между тем многие важные аспекты этого сложного физического процесса к моменту начала данной

диссертационной работы оставались либо не изученными, либо дискуссионными. В частности, авторы некоторых работ (см., например, [1]) высказывали предположение, что наблюдение новых фаз можно наблюдать в широком интервале доз, включая и достаточно малые (~1014-1015ион/см2), когда средняя концентрация внедренной компоненты далека от стехиометрической, однако достаточных экспериментальных результатов, подтверждающих это высказывание не было.

Целью данной диссертационной работы являлось комплексное экспериментальное исследование процессов зарождения и роста новых фаз в различных неметаллических матрицах, протекающих при имплантации быстрых ионов в режиме ионного синтеза, для установления основных закономерностей и особенностей этого неравновесного физического процесса, а также изучение возможностей применения ионного синтеза для формирования тонких субмикронных слоев различных химических соединений для микро- и наноэлектроники, оптики, магнитооптики и других областей науки и техники.

В данной работе мы ограничились изучением основных закономерностей и особенностей ИЛС лишь в неметаллических матрицах. Причина этого заключается в том, что поведение металлов под воздействием ИИ существенно отличается от такового для неметаллических материалов. В частности, в случае металлов, в отличие от полупроводников и диэлектриков, количество экспериментально наблюдаемых дефектов значительно меньше предсказываемого в рамках теории линейных каскадов. Можно отметить также, что коллапсирование дефектной области в аморфную зону в полупроводниках и в вакансионную петлю в металлах отражают существенно различную эффективность миграции точечных дефектов, а также влияние типа межатомных связей ( в частности, их направленность ) в этих материалах [9]. Все это приводит к различному характеру процессов, происходящих при ионном синтезе в этих материалах, и поэтому нам представляется неправомерным переносить экспериментально установленные закономерности и предложенные механизмы ионного синтеза в неметаллических матрицах на металлы.

Большинство приведенных в данной работе оригинальных результатов по ИЛС относится к диапазону малых и средних энергий ионов (< ЮОкэв). В тех случаях, когда эн