Исследование изменения состава поверхности двухкомпонентных систем при ионной бомбардировке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РСССТАНДАРТ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПО ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ И ВАКУУМА

На правпх рукописи УДК 533.9.01

СТЕПАНОВА Мария Георгиевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ ДВУХК.ОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ ПРИ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКЕ

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ • диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1992

V

4 » ."* } / - ,

/ V' / '

: - / „' .

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском центре по изучению свойств поверхности и вакуума.

кандидат физико-математических наук

В.И. Запорожченко

доктор физико-математических наук

В.В. Плетнев

кандидат фкзнко-математнческнх каук

В.П. Афанасьев

Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова

Защита диссертации состоится " * сибгрм.г Л. 1992г на заседании Спсцнаишрованиого совета К045.07.07 при Всероссийском научно-исследовательском Центре по изучению свойств поверхности и вакуума по адресу: г.Москва, Андреевская наб., 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИЦПВ

Автореферат разослан " £ * ¿¿(¿¿¿о 1992г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат фнз.-мат. наук

¡0Невзорова

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Бомбардировка поверхности твердого тела- быстрыми ионами широко применяется при микроанализе для очистки пс2эрп::сста образца от загрязнен::!* и для послойного исследования состава. Однако лонная бомбардировка может существенно повлиять на свойства исследуемого^ материала. В частности, состав многокомпонентных материалов вблизи поверхности обычно изменяется, иди, как принято говорить, образуется измененный слой. Прикладная значимость исследования свойств вещества в измененном слое способствует бурному развитие этой" области науки. Установлено, что для формирования измененного слоя существенны по крайней мере два физических процесса - каскады столкновений атомов, инициированные конами, и релаксация изменения^ плотноотй твердого тела.

Возможность предсказания изменения состава твердого тела под действием каскадов столкновений в последнее времяГактивно обсуждалась Сом.,- например, tW. Eckstein', 199113. В настоящее враля для исследования изменения состава используется главным образом моделирование методом Монте-Карло. Более высокую степень обобщение представляет собой подход, основанный на решении кинетического.. уравнения Бояъцмана для функции распределения частиц каскада Ш. Posselt, 1989]. Однако обоснованность применения простой пространственно-однородной модификации уравнения Больцмана в теории распыления вызывает сомнения, так как предположение о статистической независимости частиц перед столкновением вступает в противоречие с фактом корреляции положений атомов в твердом теле £13.

Вторая проблема - релаксация изменений плотности твердого тела - обсуждается незаслуженно редко. В то же время известно, что каскады столкновений изменяет не только состав твердого тела, но . и его плотность, причем возможно как уменьшение плотности, так и образование уплотнений i'J. Littmark, W.O. Hof er, 1980]. При отсутствии эффективного ь гханизма релаксаций плотности ее изменение при моделирова-к и может достигать 50-1005« и более. Чтобы избежать нефизи-ч окого изменения платности, предлагался механизм гомогенной р таксации IU. Li timarle, W.O. Kofer, 1980], который i насто-

яаее время используется в динамических программах Монте-Карло. В случае появления избыточных вакансий где-либо в глубине твердого тела этот механизм состоит в мгновенном переносе вакансии на поверхность твердого тела; в случае появления избыточных атоисв. .внедрения- - в"'мгновенном "разбухании" уплотненной области..' Таким образом, ■ плотность твердого тела всегда остается равновесной.-а ловё;рхнссть сдвигается. . Несомненными' достоинствами механизма .гомогенной релаксации являются его простота и практичность. В то же время обоснования основных предположений - о том, что дефекты переносятся только по направление «.поверхности и о том, что скорость этого-переноса можно считать бесконечно большой - в литературе не имеется, Отсутствует также анализ' ограничений, к которым-могут приводить указанные предположения.

ЦеяьЬ настоящей работы было исследование состава в измененном слое бинарных систем в рамках такого подхода, в котором, во-первых, использовались бы кинетические уравнения, учитывающие корреляцию последовательных столкновений частиц в твердом теле,-и, во-вторых, механизм релаксации плотности бьщ бы основан на менее жестких предположениях по сравнение с известным"механизмом гомогенной релаксации.

Научная'новизна работа.

1. Получена система кинетических уравнений, соответствующих жидкостной- модели каскадов столкновений атомов, неявно учитывавшей корреляцию положений рассеивающих центров. Полученная система уравнений была использована для расче- . та состава и плотности в измененных слоях двухкомпонент-кых систем при ионной бомбардировке в стационарном.режиме. -

2. В качестве механизма релаксации, плотности впервые исполь- -зована радиационно-стимулировавная диффузия. -Исследованы характерные особенности профилей состава при различных, отношениях коэффициентов диффузии компонентов.

3. Прове, ено сравнение результатов расчета отношения коэффициенте < распыления компонентов /V?^ для не соторых бинарных систем с аналитической теорией IN. Алс Tsen, Р. Sigmund, .9743, Показано, что аналитически зависимость

У^ от отношения поверхностных энергий связи близка к _ .зависимости результатов расчета от отношения 'объемных энергий связи. Выявлено существенное расхождение результатов расчета с аналитической зависимостью У^/У^ от отношения масс компонентов. Показано, что расхождение объясняется различием моделей связи атомов в твердом теле.

Практическая ценность работы.

1. Создана высокоэффективная программа для расчета профилей'' состава вблизи поверхности двухкомпонентных систем при ионной бомбардировке в стационарном режиме. Программа может быть использована для анализа закономерностей образования измененных слоев ' под действием каскадов столкновений атомов и радиационно-стимулированной диффузии. На компьютере с быстродействием 1 млн. операций с плавающей точкой в секунду расчет профиля занимает около 2 часов.

2. Уточнены пределы применимости аналитической ■ теории CN. Andersen, Р. Sigmund, 1974], которая в настоящее время часто используется для оценки изменения состава на поверхности при ионной бомбардировке.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11-Й Европейской конференции по изучении поверхности (Сала-манка, Испания, 19903 и на 10-й Всесоюзной конференции по взаимодействии ионов с поверхностью (Звенигород, 1991).

Публикации. По теме диссертации имеется 7 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит $5" -страниц текста, 16 рисунков, 4.таблицы и библиографв из ?6 названий.

S

2. содержание работы.

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность теш, сформулирована цель и основные задачи диссертации, описано распределение материала по главам.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации анализируется основная литература по изучаемым в диссертации вопросам. Описаны т.н. газовая и жидкостная модели, которые использовались при компьютерном моделировании каскадов - столкновений IW. Eckstein , 1991]." Показано, что пространственно-однородный вариант уравнения Бойьцмана,' применявшийся в теории распыления, является аналогом газовой модели. Обсуждаются проблемы,' связанные с использованием газовой модели и. уравнения Больцмана Г13 и путь их решения, предлагавшийся ранее [В.В. Плетнев; 1987]. Отмечено, что жидкостная модель, согласно которой расстояние, проходимое частицей каскада между последовательными столкновениями, считается фиксированной величиной,' представляет собой самый простой подход, позволяющей учесть корреляции положений атомов в твердом теле. Рассматривается распространенный в настоящее время механизм релаксации ппот-'-■ ности твердого тела при ионной бомбардировке С гомогенная релаксация) и некоторые ограничения этого механизма. Приведены литературные данные, касаюадеся потенциальных возможностей ./диффузии как механизма релаксации плотности.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ диссертации выведена система кинетических уравнений для каскадов столкновений атомов с фиксированной длиной L пробега между столкновениями, т.е. в рамках жидкостной модели. ' • ...

При выводе уравнений исходной точкой были следующие очевидные соотношения для плотности патока j частиц сорта а (ионов при а=0 или атомов мишени при а=1,2) с импульсом р через единичную площадку,'перпендикулярную к р:

ja{r,p, t)= п-]• ga)?a(r-Xn,p,i-Xtfa/p)dX =

о

= Р'Ма-/аО,р,1Э, п=р/р, а==0, 1/ 2,... СП

где _^Сг,рД) - функция распределения, частиц а в фазовом пространстве, ¿М^г.р,О ~ среднее число частиц а, попадавших -в результате столкновений в единичный элемент фазового про--странства в окрестности точки ir,p> в единицу времени, вероятность пробега частицей расстояния X без рассеяния.

которая для жидкостной модели имеет вид

ш „ Г о, 1-х>0 с2)

. , 1з, 1->.<0

Кроме соотношения (1) при' выводе использовалось уравнение непрерывности ■- '"" .

й/аСг,р.О/<И =\уг,рЛ) - «аСг,р.р . (33

- среднее число частиц а, покидающих- в- результате столкновений единичный элемент фазового пространства в единицу времени), а также-следующее общее соотношение, справедливое для парных столкновений частиц каскада с неподвижными атома-, ми мишени £11;

+ ^ Х0гСг,р"Д)й5^а(г«р'чр)ф» .. - /4),.

где - вероятность рассеяния частщы <а,р') ато-

мом-, мишени /3, после чего импульс частицы а. сказывается в объеме ф в окрестности точки р; - вероятность

выбивания атома отдачи а с импульсом р частицей <?%р">. Окончательный вид искомых уравнений следующий [1):

. И ' ' ' сх

пар",

где а, (3, у О, 1 ,' - 2,..... На - число--атомов ,а единице

объема мишени, причем Л £0; а^, .-• дифференциальные, се-, чения соответственно рассеяния ■ частицы а атомом-мишени /3 и выбивания атома отдачи а частицей каскада Т> ар ~ полное эффективное сечение атома мишени /з; ^ Сг,р,I) - вспомогательная кинетическая функция, связанная с одвочастичной функцией распределения /(г,р.П соотношением ■ Л.'

/аСг,рД).= | ^ НдСг+пХЗа(3Га(г+пХ,рЛ+ЯаЛ/р)сгх С6) '

Решив численно систему уравнений (7) с учетом граничного условия [13

Го(Г'Рс'°10<Х<1со5^ =сопз1' ".

и зная связь Г с функцией распределения /, можно вычислить все необходимые кинетические характеристики каскадов при бомбардировке ионами с исходным импульсом ро , падающими на поверхность х=0 под углом 6д к нормали.

При расчетах для величины I использовалось'выражение

Далее во второй главе диссертации описаны потенциал взаимодействия.частиц при столкновении и модель связи атомов в твердом теле. "

Использовался степенной потенциал взаимодействия атомов а и ¡3 12): .

КСг)^!^-*.*(-£-). ф^А-^У*. ^^•Г1''3, С7)

в котором а=0.468-21/3А, а параметры ¿=32,

га =2.97 и ®г=2.60 определялись путем аппроксимации теоретических потенциалов взаимодействия из работы Гй.Т. Иакадауа, У. Уашатига, 19883.

Для того чтобы учесть силы притяжения атомов мишени в модель была введена объемная энергия связи 1)а, которая в первом атомном слое под поверхностью была порядка энергии . сублимации элементов, а в низлежащих слоях - вдвое больше, чем в первом (23. Поверхностная энергия связи считалась равной нулю, что эквивалентно пренебрежению дальнодействующими силами притяжения в твердом теле.

Прежде чем переходить к исследованию многокомпонентных систем* необходимо проверить выбранную модель на простых примерах. Для этого была создана программа расчета коэффициентов распыления оджжомпонентных материалов и сделан ряд пробных расчетов, обсуждением которых завершается вторая глава диссертации. Ниже приведены наиболее важные примеры,

.На Рис.1 изображено распределение частиц по энергиям . при бомбардировке хрома ионами аргона. Между вычисленным и экспериментальным распределениями есть расхождение - расчет не воспроизводит максимума распределения при низких энергиях. Расхождение такого типа является хорошо известным следствием пренебрежения поверхностным барьером. Однако Рис. 1 показывает, что при расчете величин, ивтегральных по энергии, расхождение не должно оказывать определяющего влияния на результат. Действительно, 'результаты расчета распределения

гаи при бомбардировке лонами аргона с энергией' -1 кэЗ , падаэдими на поверхность мишена па нормали . — -г расчет, о - эксперимент ( Рис. 6 из работа [2] ).

Pec. Z. Распределение распыленных атомов никеля по полярному углу вшгета при бомбардировке иона:«! ргугн с энергией i кэВ, пздаащамя на поверхность нишеня по порвали

» - расчет, -------георпя. (с,м.

- текст), — - эксперимент ( Рис. 4а яз работы [2] ).

101-

10'

К 10

о

к

^ -50° о

Ен

-1

8°°

фО о5-

«о

о* 8

81

10°

-------т .......... ■ -.....Г.....Г ■ 1

а ®о ° ' «го

- - 5 о

ь 1.....,., . 1 , .. Ж 1

" 10'

1 10'

10

1 ------- .,.,............ ••Р— • — ■ -Г"........

1 10 -

10° & ® о * 1 ...........К . . ' ... . Си • ...... .1.

ю'

10

88- I ^

„о

»

о

о -

О I

и_

10*

ло-

10'

10^

10'

,-1

"1СГ

10'

Е, к?3

Рис, 3. Ьаздспмосгь коэ^щкентов раслыленяя некоторых материалов ог энергии ионов аргона, пэдээщих на поверхность мааени по нормали. © - расчет, о - зксаерлаевг ( Ряс. 1 кз работы [11 ').

о °

О

г-?

распыленных атомов по углу вылета (Рис.2) хорошо согласуются с экспериментом и теорией ГУ. Уаташига, 19813, развитой в рамках альтернативной модели связи с плоским барьером. Более того, при расчете абсолютных значений полных коэффициентов распыления однокомпбнентных материалов модель с нулевым барьером позволила добиться определенной стабильности Сем. Рис.3); что и определило выбор в ее пользу.

Для расчета одного значения коэффициента распыления требовалось мин. машинного времени на ЭВМ с быстродействием зЗОО тыс. операций с плававшей точкой в секунду.

Таким образом, пробные расчеты показали, что предложенная модель каскадов отвечает своему основному назначение.

'Она дает возможность достаточно эффективно и с приемлемой точностью определять интегральные каскадные характеристики. Однако для исследований состава многокомпонентных мишеней при ионной бомбардировке одной модели каскадов недостаточно. Необходимо учесть изменение атомных концентраций компонентов матрицы. Модель изменения атомных концентраций при ионной бомбардировке развита в ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ диссертацяи.-

Атомная концентрация Иа компонента.а на глубине х при стационарной ионной бомбардировке неупорядоченной мииени определялась как решение уравнении [3,41

где 5аСх) - функция выбивания, или среднее число атомов сорта а, выбиваемых из положения равновесия в единицу времени в единичном объеме на глубине х движущимися частицами, /аСх) -функция осаждения, или среднее число атомов сорта а, осаждающихся в единицу времени в единичном объеме на глубине х, К - скорость перемещения поверхности в лабораторной системе отсчета, Ja{.x,0 - плотность диффузионного потока атомой ми- -шени сорта а. Ионам инертного газа, вызывающим распыление, по-прежнему приписывается индекс 0, а двум компонентам мишени индексы 1 и 2. Низкая растворимость инертных газов в твердых телах позволяет пренебречь содержанием имплантированных ионов в мишени СМ (х>=0), так что уравнению СЮ) будут соответствовать индексы а-\,2.

Для того чтобы определить -функции 5д(х) и / а( х: Са=1,2), уравнения (10) необходимо решать совместно с системой кинетических уравнений С5), так как функции Б , \а ес-

тествекнш образом связаны с функциями F (а-0,1,23 13,4].

Главной отличительной чертой предложенной модели является особая роль диффузии. Диффузия осуществляет, релаксаций' плотности, выступая как альтернативный механизм по отношению к гомогенной релаксации. В этом, отличие данного подхода от "работ типа ÍN. Q. Lam, Н. 'Wiedersich, 1987},,. ÍS. H. Han el. al., 13901, в которых, радиационно-стимулированная диффузия не играла роли механизма релаксации.плотности,-

- Использование диффузии вместо гомогенной релаксации освобождает модель от ряда кефизичесхих предположений (см. выше). Но возникает и новые проблемы. Приповерхностная область твердого тела под конным пучком представляет собой неупорядоченную систему с неравновесной плотностью, в то1 время как теория диффузии хорошо разработана для кристаллов, когда основным механизмом является миграция изолированных точечных дефектов. Представления о структуре аморфных материалов в настоящее время находятся в стадии■ гипотез Сем., напрмер, обзорную статьи С И. В. Золотухин,. Ю.Е.- Калинин, 1930]}, так что вопрос о реалистичном механизме диффузии в измененных слоях при распылении по существу открыт.- •. .

В данной работе сделана попытка подойти к списанию-ра-днациокио-стимулированноЯ диффузии в измененном. слое, используя некоторые,предположения о "некристаллических" механизмах диффузии, выдвигавшиеся в литературе.

В области с пониженной плотность» учитывалось возрастание коэффициенте© диффузии компонентов пропорционально содержанию избыточного свободного объема ÍH: КгопшиНег, W. Frank, 1989J:

" CS),

где f(J, О® (a-i, Z) - соответственно ' полная атомная плотность и коэффициенты диффузии в равновесном состоянии системы;- бЖх) - "атомная" концентрация' единиц избыточного свободного объема г'измененном слоена глубине х, £>^»0°

В уплотненной области использовалась, т. н. кластерная модёль аморфного 'вещества' Сем. Г И. В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, 199QD. Считалось, что в этой области твердое тело состоит"йз упорядоченных микрокластеров, а избыточные атомы'внедрения расположены в промежутках между кластерами.

создавая упругие напряжения. Таким образом, диффузионный' поток состоит из двух частей - потока по равновесным кластерам, пропорционального D®, и потока.по межкластерным промежуткам , для которого использовалось хорошо известное соотношение, описываемое дк^фуяи^^в упруго деформированной среде [R. Bullough, R. С, Newman,• 19591 . - '

#(103

з котором - величина порядка коэффициента диффузии Лд - атомная плотность компонента а в межкластерных промежутках, а - среднее мехллоскостксе расстояние, УСх) - энергия упругой деформации на один атом [43. Первое слагаемое в формуле (10) описывает диффузие в среде с повышенной свободной энергией, второе - направленное, выталкивание атомов из уплотненной области под-действием упругих сил. .

Предложенная модель радиационво-стимулированной диффузии впервые дает возможность исследовать характерные свойства измененного слоя в условиях, когда релаксация плотности происходит с конечной скоростью.

Результаты исследования указанных особенностей обсуждается в ЧЕТВЕРТОЙ ШВЕ диссертации, ,

Глава'начинается с краткого описания программы расчета стационарных атомных концентраций компонентов в измененном слое бинарных систем, созданной на основе развитой модели. Далее описан тест программы на примере расчета концентраций компонентов в измененном слое моносилицида платины. Моносилицид платины выбран для теста потому, что зта система уже исследовалась с помощью программы EVOLVE [М. L. Roush et al., i'9823. Бри расчете большинство параметров были такими re, как в работе fM.L. Roush et al., 19823, за исключением-поверхностной энергии.связи, которая в нашей модели равна йу-л». Чтобы свести к' минимуму влияние диффузии, коэффициенты диффузии компонентов были вкбранн одинаковыми. На Рис.4 полученный профиль концентрации платины (а~1) сравнивается с результатами EVOLVE. Сравнение показывает, что при одинаковых коэффициентах диффузии компонентов профили концентрации очень близки к результатам моделирования без учета диффузии. Небольшое расхождение состава вблизи•поверхности х=0 объясняется различием моделей поверхностного барьера. Для расчета

0. 70

0. 65

г + 0. 60

0. 55

з: 0. 50

0. 45

,-!-,-г--.

о

150 х,Й

Рис. 4., Профиль концентрации компонента 1 (плагины) в силициде Р£51 прй бомбардировке яоками аргона-с энергией 10 кэВ, падающими на поверхность шшенз по нормали. --наи расчет, о — моделирование методом Монте-Карло (программа'ВУОШ), .

ю

2 1

О

-1

-2

*2 I,.....I

—ч—г- : т'ггг

а 1 1,1,1.1-1

К I 1 I .1 1.1.1.

"0 10 20 50 100 200 500 1000 х>й

Рис, 5. Изменение этоаной плотиосгл матрицы 6Ы/Ы°—(К}/Ы° пр:! бомбардировке сяледода- С^й! йенами аргона с энергией 4 кэВ, падающим вв поверхность шшени по кормэлз. Х1' - положение атомной плотностн Ы; Х9 - точка, в которой' плотность арк'вямаег равновесное значение 2Г; - полотте плотности,. .

стационарного профиля концентрации требовалось 2 часа машинного времени на ЭВМ с быстродействием около 1 млн. операций с плавающей точкой в секунду.

Далее в четвертой главе диссертации обсуждаются основные результаты исследования свойств измененного слоя/ Исследование выполнено'на примере бомбардировки Со5хг ионаш аргона с энергией 4 КзВ, падающими по нормали, однако полученные результаты имеют обвщй характер и справедливы для большого числа двухкошюнентаых' систем. Ниже кобальту приписывается индекс а~ 1, кремни» - а-2.

Использование диффузии, протекающей с конечной скоростью, в качестве механизма релаксации плотности позволило исследовать зависимость изменения полной атомной плотности Н = N + /{, от глубина х (Рис. 3). Вблизи поверхности плотность ниже .равновесной, а на большей глубине расположена обширная уплотненная область. Удобно выделить три характерные глубины - положение минимума плотности х (Р. - средняя глубина проникновения ионов в мишень, !*05АЭ, точку/ в которой плотность достигает равновесного значения и положение максимума х Величина изменения плотности определяется отношениями ОV, Щ/], О^1 При уменьшении или увеличении всех этих отношений в 10 раз изменение плотности, соответственно, вырастает ми убывает в-3-4 раза. Можно показать, что изменение плотности связано с анизотропией потоков частиц, в каскаде. ...

Изменение плотности, не превышающее 1.5% Сем.- Рис,5) означает,, что .диффузионная релаксация в принципе способна компенсировать изменение плотности' твердого тела при ионной бомбардировке, по крайней мере -при небольшой плотности ионного тока. Усовершенствуя механизм диффузии, а также сочетая диффузию с другими процессами (образованием пор, пластической деформацией) эффективность релаксации можно повысить, но это ухе вопрос скорее технический, чем -принципиальный. Существенна то, что в качестве механизма релаксации был использован физический процесс, имеющий конечную скорость,- так что появилась возможность исследовать закономерности изменения плотности. - .

Существование градиентов плотности в измененном слое имеет важное следствие - резкую зависимость профилей состава

гч

•2 +

0. 0. 0.

0. 0. 0.

0.

85 80 75 70 65 60 55

х1 *2 хч 11 ■

11 г 1 1 » '1 14 i 1 '1 с 1 i . 1 1 1 ! | и,/и2=2 ■• ' : е^/о^Ч

7 х

. • ■ а 1

.....-1 .(1 1 1 1 1 1 11 ,1 ........(,. 1.... 1 1....1.1,1.1........."

0 10 .

50

100 200 ; х,А .

500 1000 200С

Рис, 6 а-в. Пробила конценграцая компонента £ (кобальта) в сгшщяде СоцЗ: при бомбардировке зонами ■аргона с энергией 4 кэВ, падашциш на поверхность дашени по'нормали.

~ хаРакгеряые точки зависимости атомной плотности матрицы 01' глубина.

, и 2 - объемная гнергм связи соответственно кобальта в кремния. '

Хг

0. 90

0. 85

0. 80

(M 2: 0. 75

2 0. 70

0. 65

0. 60

0. 55

- 0. 85

0. 80

0. 75

0. 70

fSl 2Г t 0. 65

-r z 0. 60.

w sT 0, 55

0. 50

0. 45

0. 40

0. 35

TT

U,/U2=2

ttttq*

Dj/D^DJ/D^O. 1

dJVD^O; I

' 5

J_I-1—I—t—i. I.J.X.L

л ... -i,... j_i—i—j—3—

0 .10

50 100 200

x, R

Xi x2

x3

Jr—i—i—г er i ti Ia*

500 . $000 2000

-T-Г—I—i Ч Г Г]

UJ/U2=2

d;5/D°24O

ч_г

6

_l_J_1_I..I..1 11.

,1.......!.. 1.1-1-

0 1

50 Л 00 200

500 1000 2000

i i * rn 1111 '

от отношения коэффициентов днффузии компонентов. На Рис.6 а-в приведены зависимости концентрации компонента 1 (кобальта) от глубины при различных отношениях коэффициентов диффузии. При одинаковых коэффициентах диффузии компонентов (Рис.6а) профили обычно имеют простой вид (см.* также Рис.4). В тс ге время для концентрации компонента с меньшим коэффициентом диффузии характерны минимум вблизи минимума плотности и максимум вблизи максимума плотности (Рис.6 б,в). Анализ влияния на вид профиля отношений tf/lf, ^/Tf и [f '/If1 по отдельности показал, что определяющее значение имеет отношение коэффициентов диффузии в .уплотненной области . if1/D®1 [43. Экспериментальные4данные, по-видимому, говорят в пользу образования в CoSi'a профиля, подобного изображенному, на Рис. 66 [53.

Зависимость,профилей концентрации компонентов от отно- • шения их коэффициентов диффузии аналогична обратному эффекту Киркендалла в теории диффузии точечных дефектов. Такая зависимость свойственна бинарным системам различного состава при различных энергиях^ углах падения ионов [3,4,63.

Таким образом, диффузия является одним из -важнейших факторов, определяющих вид профилей концентрации в измененном слое. Однако профили концентрации зависят также от каскадных факторов. Важнейшим каскадным фактором является преимущественное распыление, определяющее состав мишени ■ непосредственно вблизи поверхности.

Некоторые закономерности преимущественного ' распыления анализируются в ПЯТОЙ ГЛАВЕ диссертации.

В настоящее время преимущественное распыление.исследовано в основном в рамках модели, согласно которой основную роль играет поверхностная энергия связи атомов в твердом теле, а объемная энергия, связи считается пренебрежимо малой. Так, теория [N. Andersen, P. Sigiaund, 19743 дает хорошо известное выражение для отношения коэффициентов распыления компонентов бинарной системы

У°/>с = ÎM/MY^Îlf/lf}1-**1 ' СИ)

в котором л{, Мг - массы компонентов, Lr, - их поверхностные энергии связи.

; Подход, развитый в настоящей, работе, позволяет исследовать отношение коэффициентов распыления компонентов в другом

ч

тс Х2

1.0 1.2 лл щ/а'2,

Ряс. 7. Результаты расчетов отношения коэффициентов распыления компонентов дая модельных систем, компоненты которых имеют близкие массы а различные объевшие энергии связибомбардировка ионами аргона о энергией 0.5_кэВ (*),

2 кэВ (*) л '5 нэВ (©).---теоретическая зависимость"

отношения коэффициентов распыления от отношения поверх-: ностнкх энергий связи компонентов^ (формула (11)).'

н

1.1

тс

1.0

0.9

0.8

1.

Еас. 8. Результаты расчетов отноиения коэффициентов рас-тыленяя компонентов для модельных систем, компоненты которых имеют одинаковые объемные энергии связи и различные массы; бомбардировка ионами аргона с-энергией 0.5 кзВ (•), 2 кэВ (*) а 5 кэВ (©). —— теоретическая зависимость отношения коэффициентов распыления от отношения, атомных масс компонентов ( формула (11) при *

предельном случае, когда система обладает конечной объемной энергией связи и нулевым поверхностным барьером.

На Рис.7 изображены результаты расчета У^/У^ при бомбардировке ионами аргона с энергией О.5, 2 и 6 КэВ, падающими по нормали на поверхность бинарных систем с близкими массами компонентов, но различающимися объемными энергиями связи, U . В первом атомном слое величины Ua были равны энергии сублимации чистых элементов Е^, а в низлежа-

ш,их слоях вдвое больше, чем в первом, 1/а=2£^. В реальных сплавах энергия связи не обязательно пропорциональна энергии сублимации чистых элементов, но это не имеет значения при исследовании общей зависимости от i^/lÇ. При расчетах

коэффициенты диффузии компонентов совпадали, что ' позволяет практически исключить влияние диффузии на состав вблизи поверхности Сем. тест программы в начале гл.4). На Рис.7 также изображена теоретическая зависимость У^/У^ от (11).

Для т. было принято значение 0.22,. близкое к средней величине m (см. (7)). Несмотря на различие моделей связи и разный смысл величин Ua и теоретическая зависимость У^/У^ от If/tf очень близка к зависимости У^/У^ от U AJz при энергиях ионов 2 и 5 КэВ.

Иной результат дапо исследование зависимости У^/У^ от отношения масс компонентов' Я /Н^, которая изображена на Рис.8. Согласно результатам расчетов при Ui =Uz преимущественное распыление практически отсутствует, в то время как теория при дает зависимость У^/У^ = [W£/W Crri=0.22)

Таким образом^ зависимость У^УУ^ от масс компонентов-бинарной системы существенно'зависит от модели связи атомов в твердом теле. Формула (11)■справедлива только в случаях, когда можно пренебречь объемной энергией связи. В противном случае зависимость У^/7^ от массы слабее, чем предсказывает формула СИ).

Анализ роли атомов различных энергий в преимущественном распылении показал, что в энергетическом спектре распыленных атомов всегда есть область, в которой теория С11) может быть справедлива. Однако учет объемной энергии связи ограничивает указанную область со стороны низких энергий, .сужая ее настолько, что отношение У^/У^ перестает коррелировать, с теорией Cil).

■Заметим,' что описанные выше результаты имеют модельный .характер. Они показывают, каким образом модель связи атомов в твердом теле влияет на,, закономерности преимущественного распыления. Для решения вопроса о реальной модели связи необходимо сравнение результатов.расчета с экспериментальным* данными, но при этом необходимо учитывать сегрегацию Гиббса, которая накладывается на преимущественное распыление в большинстве реальных сплавов. Развитие теории сегрегации Гиббса, свободной от феноменологических параметров,„представляет собой самостоятельную проблему, решение которой выходит эа рамки настоящего исследования.

3' ЗАКЛЮЧЕНИИ дана краткая характеристика результатов работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на заакту:

1. Вывод системы кинетических уравнений, соответствующих жидкостной модели каскадов столкновений атомов в твердом теле.

2. Вывод о том, что радиацмонно-стимулированная диффузия может быть использована как механизм релаксации плотности твердого тела в моделях Формирования измененного слоя при ионной бомбардировке.

3. Вывод о том, что учет объемной энергии связи атомов мише-• ни существенно ослабляет зависимость отношения коэффициентов распыления компонентов бинарной системы у^/у^ от масс компонентов. .

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

в сттш работах. .

1. М.Г. Степанова. Модель каскадов атомных столкновений с фиксированной длиной свободного пробега.- Поверхность, 1S91, Т. 11, С. 19.

2. М. Г. Степанова. Моделирование распыления неупорядоченных твердых тел при ионной .бомбардировке. Деп. в ВИНИТИ 28.12.89 N7718-BS9.

3. М. Г. Степанова. Некоторые вопросы моделирования состава двухкомпонентных систем при конной бомбардировке. Деп. в ВИНИТИ 22.07.90 N3103-B90.

4. М.Г. Степанова. Моделирование изменения плотности и состава вблизи поверхности двухкомпонентного твердого тела

при конной бомбардировке. Материалы X всесоюзной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, 1991. М.: МИФИ', Т. 1, С. 125* - - •

5. С.С, Бойтусик, Б. И. Запородченко, М. Г, Степанова. Исследование влияния угла падения ионов Аг , 4КэВ на состав приповерхностных слоев Co^Si методом ЭОС с угловым разрешением. Там же, Т.З, С.62.

6. V. I. Zaporozchenko, S.S. Voitusik, М.G. Stepanova. A.I. Zagorenko. Study of the changes in the siiicide surface composition under argon ion bombardment. Surf. Sci., -1991, v.251/252, p.159.

.7. M.G. Stepanova, System of master equations for ^atomic collision cascades with fixed path length between two

• collisions. Proc..of ICACIS-14, Salford, 1S91, P1.D7.

ДОПОЛЖЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. V/. Eckstein, 1991, Computer simulation of ion-solid interactions'. Berlin, Springer. ,

2. H. • Posselt, 1989, Phys. Stat. Sol. С a), -v. 112, p. 263.

3. U. Littmark, W.O. Hofer, 1980, Nucl., Instr. Math.,v. 168, p. 329,

4. N. Andersen, P. Sigsund, 1974, K. -Dan. Vid. Selsk. Hat. Fys, Medd., v.39, N3. •• ' .

5. B.B. Плетнев, 1987, Поверхность, Т.З, С.67.

6. S.T.' Nakagava, У. Уаюатига, 1988, Rad. Eff., v. 105, p. 239.

7. Y. Yaaamura, 1981Rad/Eff., v. 55, p. 49.

8. N.L. Lam, H. Wiedersich, 1987, Nucl. Instr. Meth., v.B18, . p. 471. "

S. S.H. Han, G.L. Kulcinski, J.R, Conrad, 1990, Nucl. Instr. Meth., v.B45, p.701. ' "

10. И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, 1990, УФН/ Т. 160,: ььш.9, С. 75.

11. Н. КгопшПег, W.Frank, 1989, Rad. Eff. Def. Sol., v.lOSs v81. .. ' *

12. R..BU1 ough, R,C. Newnan,'!1959, Proc. Soy. Sac., v.A249, p. 427. ^ • ■ ' ■■

13. ¡ML. R ish, T.0. And'readis, E, Davar/a, O.F. Goktepe, 1982, A; >1. Surf. Sci., v. 11, p. 235.