Исследование закономерностей и особенностей распыления полупроводниковых материалов A3 B5 при бомбардировке ионами Ar+, Xe+, N2+ и смесью ионов Ar+ - I2+ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.Иоффе

На правах рукописи

?Г6 од

2 О П'И

' Сошников Илья Петрович

Исследование закономерностей и особенностей распыления полупроводниковых материалов при бомбардировке ионамн Аг+,Хе+, и смесью ионов Аг+- /2+

Специальность 01.04.07 -Фишка твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой стспспи кандидата фишко- математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Техническом университете.

Научные руководители: доктор физико-математических наук профессор Конников С.Г. кандидат физико-математических наук с.н.с. Берт H.A.

Официльные оппоненты ,' доктор физико-математических наук профессор

кандидат физико-математических наук с. н.с.

Машкова Е.С.

Макаренко Б.Н.

Оппонирующая организация - Санкт-Петербургский Государственый Электротехнический университет.

Защита состоится "¿0" ' _1997 г. в

часов на

заседании специализированного совета К003.23.02 в Физико-Техническом институте им. Л.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН.

Оиыны на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Аиюреферат разослан " ¿.р ■ и 1996 г. Ученый секретарь специализированного совета

кандидат фишко-математических наук С.И.Бахолдин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации:

Облучение поверхности твердых тел ускоренными атомными частицами риводит к столкновительному движению атомов мишени. Следствием такого вижсния могут быть внедрение облучающих частиц (имплантция), зменение структуры и состава мишени, возбуждение электронной одсистемы мишени, эмиссия атомов мишени (распыление) и др.. Явление миссии атомов мишени при ионной бомбардировке, которое было бнаружено почти полтора столетия назад [1], приводит к эррозии оверхности твердых тел и называется распылением ускоренными частицами ионным распылением).

В последние 30-40 лет исследованиям ионого распыления твердых тел деляется возрастающее внимание, что обусловлено практическими задачами, [апример, проблемой повышения радиационной стойкости материалов, аботающих в условиях бомбардировки ускоренными частицами, которые 1меют место в ядерных реакторах, ускорителях частиц и в космической ехнике, а также перспективами использования ионно-плазменных и ионно-учевых методов в технологии микроэлектроники.

Облчггь энергий падающих частиц /:' 0,1+20 кэВ представляет интерес шя исследований ионного распыления по двум причинам:

Во первых, в этом диапазоне энергий наблюдаются наибольшие [зменения характеристик распыления, вследствие чего этот интервал энергии |редставляет наибольший интерес для фундаметальных исследований.

Во вторых,этот интервал широко используется в современных методах ехнологии (для очистки поверхности и формирования микрорельефа) и [иагностики материалов (во вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) качестве источника возбуждения сигнала, в Оже-элекгронной пектроскопии (ОЭС) для контролируемого распыления поверхности образца целях анализа профиля элементного состава по глубине, в просвечивающей лектроиной микроскопии (ПЭМ) для подготовки образцов). Наиболее иирокой областью применения этих методов является диагностика юлупроводников, среди которых значительное место занимают структуры на смове полупроводниковых материалов /Он^.

Имеющиеся в литературе экспериментальные данные по основным акономерностям распыления (зависимость выхода распыления и характера оверхностной морфологии от энергии и угла падения ионов)

3

полупроводниковых материалов Л3#5 при бомбардировке нонами аргона и ксенона с энергией /:=1-'5 кэВ немногочислены и носят несистематический характер (см.например обзор [2]). В то же время существующие теории, как например, аналитическая теория Зигмунда [3], полуфеноменологическис теории Юдина [4] и Ондерлиндена [5] имеют входные параметры - энерги* поверхностной связи, порога распыления. Как результат эти теории ш позволяют заранее предсказывать'характеристики распыления (зависимосп выхода распыления от энергии и угла падения) и сопутствующих процессов < требуемой для практического использования точностью. Анали: существующих моделей для оценки значений пороговых энергий распылени) показывает, что аналитические формулы существуют только для просты! материалов и дают лишь качественный (приближенный) результа (см.например [6,7]).

Цель работы: исследование основных закономерностей и особенности распыления полупроводниковых материалов АЧ 5 при бомбардировке ионам! Аг*~, А'е"1" Д'2+ и смесью ионов Аг+ - ¡2+.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1) исследование поверхностной морфологии,' образующейся пр< распылении полупроводниковых материалов при бомбардиров* ионами АгАс,+ N2+ и смесью ионов Аг+ - /2+ с энергией 7:-1-15 кэВ;

2) исследование выхода распыления полупроводниковых материапо А^Н5 при бомбардировке ионами Аг+, Хе+ N2*" и смесью ионов /)г+ - /2+ зависимости от параметров облучения (энергии и угла падения ионов) диапазоне энергий /:'=1-15 кэВ;

3) развитие модели нескольких столкновений для определени пороговых энергий распыления моноатомных и бинарных материалов;

4) исследование структурно-композиционных изменений полупроводниковых ма1ериалах А^Н5 при высокодозном облучении (Ф>10' ион/см^) ионами с энергией И- 2-15 кэВ.

Научная новизна:

I) Впервые получены систематические экспериментальные данные п зависимостям выхода распыления полупроводниковых материалов/*3д5 Пр

4

>мбардировке ионами А г1, AV .\V и смесью ионов Аг* - 12* от терши и ла паления части в лиана юне мк-ртий К 1-15 юН

2) Иокптио. чго. полу ченние в pu <у л маге сопоставления теории и геперимента по распылению при бомбардировке ионами Ar\ AV* >верхностные )нерти свяш соединении (1аЛ\. lili', (¡aSh. In А*, InSh и 1ерлых растворов AIx(i,i\.xA\ (х 0, 0,2, 0,4, 0,6. 0.8) отличаются от 1нер|ий омизации на величины, равные жергиям аморфикщии. а в случае <¡ni' 1вна поверхностной тертии свят чистою (¡а

.1) ")кспсрименгально установлено, что при распылении злупроводниковых мак-риалов /filfî при бомбардировке ионами А г', Ai'* 2V и смесью ионов -Ir' - ¡j' с тершей /-.1-15 юВ обратуется рельеф nryciioi о (пирамидально! о) типа, который при уг лах паления частиц 0 >60-75 (в зависимости or материала мишени) преобраt\ется в "волнообразный" тип

4) Обнаружено, что на InSh при облучении ионами Д'2 ' с энергией Ir 15 юВ пол утлом 40" от норчати к поверхности образуется рельеф ггупенчаго-фасеючното" типа

5) Обнаружено, что при высокодозном облучении (iu-U ионами А г* с 1ергией or 5 ло 15 к>В и плотносм.ю потока частиц /10'5 иоп/см2 ^разуется измененный слой, толщина которою увеличивается с ростом •»смени облучения й может лостигать 200 им. что tía порядок препосходиг тубину проникновения ионов

5) В работе впервые получено аналитическое выражение для опенки эроювых )нер1ий распыления компонентов бинарных материалов.

Практическая ценность

1) Полученные систематические жепериментальные данные о [висичостях выхола распыления полупроводниковых соединений (lui', <i.l\. 1*1'. (tiiSh. InAy InSh и твердых растворов Aíx(ia\.xA^ при }чбардировке ионами Ar'. AV \V и смесью ионов Аг+ - ¡2* ог энертии и ла паления частиц в интервале терши /; - 1-15 юВ могут использоваться тя оптимизации режимов гехно.юшческих процессов и. в частности, эименсны для оптимизации условий ионного фавлення при подготовке *>разцов для просвечивающей »лектронной микроскопии

2) Проведена проверка применимости и адаптация теории распыления тя описания иловых и жерт этических зависимостей выхода распыления чГ (к/А у ¡ni'. < HiSh. luí у InSh соединений и твердых растворов Л/х(к/|_х.-Ь

s

при бомбардировке ионами Л'*.'1" и смесью ионов Ar+ - I2+

диапаюне энергии Н~-1 -1 ) кэВ, что позволяет рассчитывать характеристик процессов распыления.

3) Исследованы особенности рельефообразования на поверхност соединений Gal', GaAx, ln¡\ GaSb, InAs, InSb и твердых растворов AIKGa\.xA при бомбардировке ионами Ar+, \'с+ Nif и смесью ионов Ar* -интервале энергий IÍ-1-15 кэВ, что позволило оптимизировать режим! ионного травления ПЭМ-образцов.

4) Получены аналитические формулы, которые позволяют оцениват величины пороговых энергий распыления моноатомных и бинарны материалов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Распыление полупроводниковых материалов типа А^Н 5 пр бомбардировке ионами Аг+, Ас-1 в диапазоне энергий 0,2 -15 кэВ пр температурах мишени ниже 65° С протекает с аморфизацией поверхности удовлетворительно описывается в рамках теории распыления Зигмунда Фальконе [3,8] с формулой Хаффа - Свитковски для бинарных материалов [í и приближением для выхода распыления простых материалов Юдина [4].

2. При распылении полупроводниковых материалов типа А^В^ ионам Агл, At'+ Л*2+ и смесью ионов Ar+ - 12+ (10:1) с энергией /;'=1-15 кэ1 образуется поверхностный рельеф типа "конус (группа конусов) в лунке' который при бомбардировке под углами падения ионов G>60°-75° ( зависимости ог материала мишени) переходит в "волнистую поверхность".

3. Учет ра!рыва объемной связи при выбивании атомов отдачи в рамка модели нескольких стокновений приводит к повышению предсказываемы значении пороговых энергий распыления и обеспечивает боле удовлетвори тельное совпадение с имеющимися экспериментальным данными.

4. При высокодозной бомбардировке (0-К)'9 иоп/см2) ионами Аг+ энершей li- 5-15 кэН и плотностью потока у>0,1*10'5 ион/сек*см2 приповерхностной области арсенида галлия образуется измененный ело толщина, коюрого увеличивается пропорционально дозе облучения и пр экспозиции I -20 часов, Ф-4,5*1019 ион/см2 может достигать толщин! порядка 200 им, что сущестественно превосходит длину пробега Аг+ -ионов ■лом ма!ериале (/Í« 10-20 им). Аномальный характер образования и эволюци

вмененного слоя может быть объяснен в рамках модели [10], учитывающей втокаталт.ческий процесс аморфизации, а также рекристаллизацию и егрегациониые процессы в измененном слое.

На защиту также выносятся:

1. Аналитическое выражение, определяющее зависимость пороговых нергий распыления компонентов бинарных мишеней в приближении упругих толкновений от параметров мишени и бомбардирующих частиц.

2. Экспериментальные значения поверхностных энергий связи (ial\ ] 1(1 а As, (jaAs, ln!\ (}aSh, InAs, hiSb, полученные при сопоставлении кспериментальных и теоретических зависимостей выхода распыления от нергни ионов Аг+ и Хе+.

3. Распыление антимонида индия ионами Л'2+ под углом 40° с энергией i'=l-15 кэВ приводит к образованию рельефа "фасеточного" типа.

Апробация работы:

Основные результаты работы представлялись на

1) XIV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии Суздаль 1990);

2) X, XI, XII конференциях "Взаимодействие ионов с новерхпосн.ю", Звенигород, 1991, 1993, 1995)

3) Европейских конференциях E-MRS (Страсбург май 1993, июнь 1996)

4) межгосударственной конференции "Взаимодействие излучений с вердым телом" (Минск, Беларусь, 1995)

5) XXVI Международном совещании "Взаимодействие заряженных астицс кристаллами" (Москва, 1996)

6) XVI Международной конференции по атомным столкновениям в вердых телах (Линц, Австрия, 1995)

7) Международной конференции по ионно - лучевой модификации 1атериалов (Альбукерк, США, 1996)

По теме диссертации опубликовано 20 работ, список которых риведены в конце автореферата

.'труктура диссертации.

[иссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка итированной литературы и списка опубликованных работ.

7

(ОДКРЖЛНПК РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показана научная новин и практическая ценность работы, сформулированы цель и задачи рабоп представлены защищаемые положения и дана краткая аннотацт диссертации

Глава первая Распыление полупроводниковых материалов А^Н^ при бомбардировке ускоренными нонами (литературный обзор) В первом пара! рифе 1лавы итложены существующие 1еори распыления моноатомных мишеней [3-5], представления о линейных каскад! столкновений, как элементарном процессе, на ко юром башруются н модели Покатано, чю основным недостатком торий является наличт феноменолот ическнх параметров итерт ин поверхностной святи - высот поверхностною потенциальною барьера, поротной шерпш раснылени Ч.исм ттожепы особенности распыления монокрис1аллических мишеней рамках модели Ондердиидеиа |5| Рассмотрены модели, опиемваюиш уыотше тависнмост выхода распыления (Ъимунл |.Я| Ямамура [11|)

Дх1се тиложены особенности теории распыления мноюаюмны мак-риалов, обсу ждаим си трудности, во шикающие при Описании процесс»! протекающих при бомбардировке в сложных мишенях, и, в частносп щмененне состава поверхности обратное вследствие прсимущественнот распыления компонентов

Во втором пара1рафс тлавы дано ииожеиие модели неско и.ки столкновений для нороювою распыления простых материалов Ямамурь Ьоыапскою [(>| Представлены итотовые формулы, полученные н |(>| дл определения иоро!овых . шер| ий распылетнтя в приближении унруто! рассеянии маслин Покатано, чю расчет по формуле Ямамуры-Ьо1 лански |( дае1 сниженные но сравнению с экспериментом шачения по|к>ювых лтерт и распыления

В третьем ii.ip.iiр.и|>с приводятся экспериментальные данные н «ЛВИСИЧОС1ИМ выхода распыления полупроводниковых мац-риалов нр бомоар (нровке ионами инертных |атов (1г' , Ас' ) от терт ни и утла падени номов к'мнер.тры распыляемой мишени представлены рсчулыаи ттссле Ю1М11НИ характера поверхностною рельефа, обратующсюся пр

X

опылении. Показано, что, несмотря на большое число работ, 1личествеь.1Ые данные неравномерно отражают характер явления в [злнчных условиях, для большинства материалов в области энергий от 2 до > кэВ [2], которая наиболее интересна с позиций понимания физической ртины протекающих процессов при облучении ускоренными атомными ¡стицами, либо очень немногочисленны, либо отсутствуют, и, как результат, >сят несистематический характер и поэтому не могут быть использованы для >стоверного анализа процессов, инициируемых ионной бомбардировкой.

Четвертый параграф посвящен изложению состояния исследований ¡спыления химически активными газами. Показано, что основные зультаты получены для распыления С/аА.V, ЫР при бомбардировке хлор-, гор- и бром- содержащими ионами [12]. В то же время распыление ггериалов А^В^ ионами азота и иода остаются малоисследованными, хотя по общениям [13] применение ионов азота для распыления 1пР обеспечивает :нее развитый поверхностный рельеф, а йодное распыление вносит меньшие диационные повреждения при подготовке ПЭМ -образцов.

В последнем парагарафе главы сформулированы конкретные следовательские задачи, которые решаются в работе.

Глава вторая. Аналитические оценки пороговых энергий распыления моноатомных и бинарных материалов. В первом параграфе главы представлена модель нескольких олкновений для простых матералов, учитывающая неупругие потери ергии, идущие на преодоление объемной связи при' выбивании атомов дачи. Проведен анализ модели с целью получения формулы для оценки роговой энергии распыления К/ц.

У* 4//С05' /(<р) = (со$<р+^р-5'т2 (р)1(\+[л), ц $\па= ълпф где ц - соотношение масс сталкивающихся атомов мишени и ионов =Л///Л/,); ср и а - углы разлета сталкивающихся частиц: иона и атома, ответственно; и, /- число рассеяний иона и атома, соответственно^ -гргия потенциального поверхностного барьера; !/у - энергия объемной 1зи атома.

9

11111 МИНЦ 11111Щ II НИЦ I ПИЩ I

н:-2 и.-1 11-.Ю ил 11:12

2-

ф Ли ф Мо

Л1

Си

Рис.1. Сравнение результате моделирования зависимосте

пороговых энергий каскадов п ■формуле и экспериментальны значений энергий эффективног порога распыления при нормально падении ионов. Приведены кривы для каскадов с и=1 и 1=4 (А,С); /= (В) при значениях отношени объемной и поверхностной энерги

зависимосте

связи (А,В) и '/уЯ/л-0 (С). Экспериментальные данные из работ!

[14].

Полученная формула сравнивается с экспериментальными данным) представленными в литературе [14] (рис.1). Показано, что формула дае лучшее согласие с экспериментом, чем формулы Ямамуры - Богдански [6] Экштайна [7].

Во втором параграфе на основе модели упругих парных столкновени развита аналитическая теория для оценки пороговых энергий распылени бинарных материалов. Получена аналитическая формула для определени пороговых энергий распыления бинарных материалов в случае упруги энергопотерь. Проведено сопоставление результатов теории для бинарных простых материалов.

"Гре1ья глава. Экспериментальная техника и особенности используемы;

В первом параграфе главы дано описание образцов и методики и предварительной подготовки, которая включала проверку состава, качеств поверхности, химическое удаление окисно-дефекгного слоя на иоверхноетт вырезание мишеней.

Во втором параграфе приведено краткое описание основны экспериментальных установок, использованных в работе (установки ионног распыления - Ц-и-100, 1ЫА-3, специальная установка ионного распыления о I до 15 кэВ, технологическая установка распыления нейтрализоваиньн пучком атомных частиц).

методик исследования

Ю

В третьем параграфе изложена методика измерения выхода распыления определения дозы облучения, применявшаяся в работе и основанная на етоде измерения толщины распыленного слоя.

Четвертый параграф посвящен изложению методов исследования труктурно-композиционных изменений в приповерхностной области блученных образцов. (Методы РФЭС КРП, POP, каналирования электронов), [роанализированы особенности использованных методов.

Четвертая глава. Основные закономерности и особенности распыления полупроводниковых материалов при бомбардировке ионами Аг+ , Хе+, N2+ и смесью ионов Ar+ - fj+ ■

В начале главы излагаются результаты исследований поверхностной опографии образцов после распыления ионами инертных газов. Анализ редставленных данных показывает, что при распылении на поверхности олупроводниковых мишеней ионами инертных газов (Аг+, Хс1)

бразуются лунки и конусы (пирамидки), которые при углах падения 0>60° ереходят п волнообразный рельеф (рис.2а, 26). Плотность особенностей онусного (пирамидального) рельефа зависит от типа мишени: для [атериалов AlGaAs, GaAs концентрация конусов не превосходила величины 04 см"2, а для 1пР достигало 10^ - Ю'О см~2. Показано, что характер оверхностного рельефа полупроводниковых мишеней А^В5 при энергии оновЛг+ .';=5 кэВ такой же, как и при распылении ионами большей энергии, о плотность конусов больше. Так например для InP плотность конусов при нергии Аг+ ионов /:'=5 кэВ составляет Ю^-Ю^ см"2, а при /;=0,5кэВ - 10^ -ОЮсм-2.

Далее в работе представлены результаты исследования поверхностного ельефа, образующегося при распылении материалов ионами Лг2+. Показано, то как и в случае распыления ионами инертных газов Аг+ и Л'гf аблюдаются конусный и волнообразный тип рельефа при нескользящем и кользящем падении ионов, соответственно. Кроме того, обнаружено, что при аспылении InSb ионами Л'2+ под углом 0- Ю° образуется "рельеф гупенчато - фасеточного типа (рис.2 в).

Сравнительный анализ образующейся при распылении различными онами морфологии на мишенях (IaP, GaAs, GaSh, InP, InAs, InSh показал, что рименение Nj f ионов приводит к снижению плотности конусов на

II

SliLi>шГСЫ Lf7

Рис.2. Электронно-микроскопические фотографии участкос поверхности образцов GaAs, экспонированных ионным пучком с энергией £=5 кэВ и флюенсом Ф~2-5*1018 ион/см2 при нормальном падении Ai' ионов (а) и под углом 0=75 (б), и InSb (в), после облучения ионами Л'2+ с энергией Е=5 кэВ и флюенсом Ф~2-5*10'8 ион/см^ под углом 0=4(f.

идентичных материалах, что объясняется образованием на поверхности нитридов металлов, имеющих большую энергию связи, вследствие чегс снижается поверхностная диффузия атомов, которая приводит к образованию центров локальных особенностей в распылении. ' '

Распыление смесыо ионов Аг+ -¡2+ приводит к еще большему подавлению поверхностного рельефа, чем в случае Nj+- Этот результат, по-видимому, является следствием того, что при бомбардировке атомы III группы (In и С 1а) образуют с иодом летучие соединения À^I, что приводит и подавлению эффектов обогащения поверхности и исчезновению связанных с этими эффектами локальных особенностей, вызывающих появление конусов.

Во втором параграфе главы представлены результаты исследовании угловых зависимостей выхода распыления полупроводниковых мате-

риалов при бомбардировке ионами Аг+ , А'е+, N2' и смесыо ионов Ar+ - h+■

Измеренные угловые зависимости выхода распыления Gal', GaAs, GaSb, In!', In A.s, JnSb и твердых растворов AIGaAs ионами инертных газов (Ar+, Хс+) имеют вид характерный для распыления бесструктур-ных мишеней: с одним максимумом в области 60-75°, без тонкой структуры. На рис. 3 (а) приведена такая зависимость выхода распыления GaAs от угла падения Аг+ ионов с энергией Е -5 кэВ. Сопоставление результатов эксперимента с

литературными данными шя некоторых материалов дает удовлетворительное

согласие между ними.

Угловые зависимо*, i и выхода распыления ¡ni', (яЫ\ (jal' и InSh, InAs, GaSb ионами Nj* имеют pa ¡личный характер: кривые доя Ш', С!чА.\, dal', как и в случае распыления ионами инертных газов характерны для распыления бесструктурных мишеней, а зависимости для InSb, InAs, GaSb имеют минимумы выхода распыления в областях 0, 35, 55, которые совпадают с кристаллографическими направлениями [100],

[211], [111], соответственно. Сопоставление результатов, полученных при распылени InSb, InAs, GaSb ионами инертных газсв и Njсвидетельствует о снижении критической температуры отжига радиационных дефектов, вносимых при распылении.

Зависимости выхода распыления lili' и Cd As при бомбардировке смесью ионов Аг+-12Ч, как и в случае применения ион в инертных газов, имеют вид, типичный для распыления аморфных иди полнкристаллн-ческих мишеней: без тонкой структуры с одним максимумом при 0-72° для (itiAs и при 9=75° для М'.

Сравнение эксперимента с расчетом но модели Ямамуры [II] покатало, что в области нескользящею падения ионов достигается хорошее совпадение расчета и эксперимента, а в области скользящею падения модель дает заниженные оценки выхода распыления, что не может быт ь объяснено только

Рис.3. Зависимости выхода распыления (¡<iAs при бомбардировке ионами Аг+ от угла падения (а) и энергии частиц (6).

4V 60

~т-г-гттттт

-1 II I I III

Е, кэВ

И

13

влиянием рельефа поверхности.

В третьем параграфе представлены результаты исследований зависимости выхода распыления полупроводниковых материалов А^В^ от энергии ионов. Экспериментальные зависимости выхода распыления ОаР, 0'<7/1л, Сю$Ь, 1пГ, /пАх, /лЛ'Л и твердых растворов А1х(!а/.хА.ч (г=0,2; 0,4; 0,6; 0,8) при бомбардировке ионами инертных (Аг+ , Хе+) имеют монотонно-возрастающий характер. Типичная зависимость выхода распыления ОаАх от энергии ионов Аг+ приведена на рис.3 (б).' Анализ экспериментальных данных, полученных в работе, а так же прсдставлен-ных в литературе [2], показывает, что наилучшее согласие теории и эксперимента достигается при использовании формул Зигмунда-Фальконе [8], Хаффа -' Свитковски [9] и приближения выхода распыления простых материалов .Юдина [4]. Полученные в результате сопоставления расчета и эксперимента как значения энергий поверхностной связи приведены в таблице. 1.

Сравнение определенных в работе величин с энергетическими параметрами материалов показывает, чго значения энергий поверхностной связи отличаются от энергий атомизации на величину примерно равную энергии аморфизации (теплота плавления). Указанное совпадение объясняется аморфизацией поверхностного слоя. Исключение составляет фосфид галлия, для которого поверхностная энергия связи примерно равна поверхностной энергии связи чистого галлия, что, по-видимому, связано с сильным обогащением поверхности галлием вследствие преимущественного распыления фосфора. ,

Далее излагаются результаты исследований распыления материалов А* И 5 ионами химически активных газов Дг2+ и смесью ионов Аг+-12+. Выход распыления материалов при бомбардировке N'2 ионами меньше, чем

Аг' примерно в 1,2 - 1,9 раз. Энергии поверхностной связи для комбинаций нон N21 - мишень А^Ф выше, чем для распыления ионами инертных газос (|абл.1), что, по-видимому, связано с образованием нитридов галлия и индия, соответственно, на поверхности распыляемой мишени. Кроме того, распыление таких материалов как !пШЬ, 1пА\ и СмХЬ протекает с отжигом дефектов, вносимых при облучении, что отражается па характере энергетических зависимостей

М

Таблица 1. Сравнент1 средних поверхностных оперши свят, энергий

Материал 11и(эВ) 11,/эВ) Аг+, /■: 1 юн 11 фЩ Хе+ 1>о(>В) Ы2+ 1<атШ

ОаР 3,56 2.25 2.3 4,2 0,6

А1()х(;а02А* 3.7 2.8 0.9

Alo.6dao.4As 3,6 2.Х 0,8

А1о4С,а()бАх 3,5 2.8 0,7

AIO.2dao.HAs 3,4 2.Н 0,6

СаАх 3,2Н 2.Н 2,Н 3,4 0,5

О'аЛ'Л 3,02 2.7 2,7 2,4 0,39

1пР 3,29 2.8 2,8 3,4 0.45

1пА\ 3,02 2.65 0,32

1пХЬ 2,7Н 2.6 2,6 2,1 0.25

выхода распыления: выход распыления в режиме отжша дефектов слабо уменьшается в диапазоне энергий выше /:'=3 кэВ. Этот результат объясняется снижением температуры рекристаллизации при бомбардировке более легкими ионами.

Выход распыления (.¡иЛ\ и /«/' при бомбардировке смесью ионов Аг' -¡2+ примерно в 2-4 раза выше, чем только ионами Аг{, что обьясняется образованием летучих соединений /)3/. Сопоставление зависимости выхода распыления СаА.ч и //;/' смесью Аг*-!^ с теорией показывает, чю в этих случаях приближение Хаффа-Свигковски [9] с "сечением торможен:;;." Юдина |-41 удовлетворительно описывает экспериментальные зависимое!п интервале энергий /:'=2-14 кэВ. Анализ поверхностных энертий связи, полученных при сопоставлении расчета и экспериментальных кривых зависимостей выхода распыления полупроводниковых А^И5 материалов при бомбардировке смесью ионов Аг+ - ¡2* показывает, что эти величины находятся в диапазоне, ограниченном поверхностными энергиями связи, полученными для распыления полупроводниковых материалов Пр„

бомбардировке ионами Аг+, Хе+ и энергиями атомизацин материалов ЛЗ-/.

В заключение параграфа следует обобщение полученных результатов: анализ определенных по экспериментальным данным поверхностных энергий связей, их сравнение с табличными значениями энергий атомизацин,

аморфизации и лр. Показано, что поверхностные энергии связи и энергии атомизацни большинства материалов отличаются на величину,

примерно равную энергии аморфизации. Для dal' поверхностная энергия связи оказывается примерно равной поверхностной энергии связи чистого галлия, что обусловлено сильным (свыше 65%) обогащением поверхности галлием.

Пятая глава. Структурно-композиционные изменения в арсениде галлия при высокодозной бомбардировке Аг[ ионами.

В соответствии с традиционными представлениями при облучении происходят струкгурно- композиционные изменения, связанные с каскадными столкновениями и радиационно- стимулированной диффузией и сегрегацией. Толщина измененного слоя, при этом не превышает 2-3 максимальных пробегов ионов (размеров каскада) [3].

Рис.4. Профили состава по глубине в арсениде галлия, облученном ионами Ar1 с энергией /;=5кэВ при плотности потока 7=0,75* 1015 ион/сек*см^ и флюенсе 0=0,9* 10'9 (а) и Ф=3,6*ю19 (б) ион/см2. Зависимость толщины измененного слоя в арсениде галлия, облученном ионами Аг+ с энерг ией /.=5 кэВ и плотностью потока7=0,75*1015 ион/сек*см2 ог флюенса (в)

В то же время с помощью метода профилирования состава по глубине рени еновской фотоэлектронной снетроскопией краев поглощения (1'<ЮС KI'M) пекле высокодотной ионной бомбардировки в арсениде ixluis было обнаружено, чю комиоишионные и!менения Moiyi носить немонотонный характер и распространятся на i дубину 150 нм и более, а именно ишененный слой содержит чередующиеся слои с обогащением галлием и мышьяком (см. рис 4) I'ciy.платы исследований облученных образцов меюдом РФ'К.' К1'П покатали, что толщина измененною слоя зависит от экспериментальных условий, а имспю

увеличение терши ионов и доты приводит к увеличению масштаба шмененною слоя, не меняя принципиально характера профиля состава В то же время изменение плотности ионною поюка и \i.ia падения не приводит к существенным итмененияч в \apaKiepo и масштабе профиля состава в вмененной области

Данные исследований И)Р и каналирования ыектронон подтверждают [хк.1 толщины и iMCiieiiiioi о слоя при увеличении доты облучения

Проведенные методами 1Г)М исследования обратив (ui.h (100) эблхченных ионами Iг' с >nepi ней /. 5 к >В iiohuia.ni, что в тримоверхностной облаем и обрлуется шмененный слой, толщина которою > величинленя пропорционально жепошцни

')ю|, не укла 1ыв.пощиися в рамки традиционных представлений хч\лыат, явился («.новой .ия рашшии теории тффекча структурно-шчтмншкшнот лальио илкмнии |Н)|, toiaacno которой расшщкние нмсненпои) слоя в (i.iAs оГч.ясняется авюкаталшичсскнм процессом шкрфимцни с notлслуютеи реьрисмллтнаиией и обраюванием ic|>ch (¡аАь ■ (,1

им)

2 «о

2 и)

3 •!>

г™

н

I)

17

I'HC s I сорсшчсская ивисимоаь ю.нцины тчененною слоя в (¡аАл от времени нонной бомбардировки |10]

Сравнение характера теоретической [10] (рис.5) и экспериментально! (рис.4.в) зависимостей толщины измененной области в da As от времен! облучения, а так же экспериментальных и теоретических распределен^ фазового и элементного состава по глубине показывает качественное согласи: между моделью и экспериментом.

Заключение

В заключении кратко сформулированы основные результаты полученные в работе:

1) Получен набор экспериментальных данных, систематическ! отражающий основные закономерности распыления соединений npi бомбардировке ионами Ar*, Л'с^ , Л^'", и смесью ионов Аг+- ¡2+. от энергии i угла падения частиц.

2) Сопоставление экспериментальных и расчетных угловы: зависимостей выхода распыления материалов при бомбардировк ионами ArХс1 , Д'2 + , и смесью ионов Ar*- /эч от угла падения части! показало, что в области нескользящего паления экспериментальные кривы хорошо описываются приближением Ямамуры [II]. В области скользящей падения ионов теория [II] даст заниженные по сравнению с экспериментов значения выхода распыления.

3) Проведено сопоставление теории и эксперимента, которое показала что экспериментальные зависимости выхода распыления А^В^ материало при бомбардировке ионами Ar*, AV1 , 1V2', и смесью ионов Ar1'- /2+ о энертии частиц в диапазоне F.- 0.2 -15 кэВ хорошо описываются теорис1 распыления Зигмунда -Фальконе [3,8] при использовании формулы Хаффа Свигковски для распыления бинарных материалов [9] с приближение!* выхода распыления простых материалов Юдина [4]. -При описанш распыления в монокристаллическом режиме комбинаций ион -мишень GaSh InAs, InSb <- Л'2( применима модель Ондерлиндена в области энергий ионо! выше 3 кэН.

4) Знерити поверхностных свя)ей Gah, Int', GaSh, InAs, InSb 1 шерлых растворов Л/х07/|_х/Ь, определенные при сопоставлении расчетных т экспериментальных зависимостей выхода распыления этих материалов npi бомбардировке ионами инертных (-(/ ', Хс1) тазов ог энергии частиц отличаются 01 соошегстпущих энергий атомишции на величины, примертк равные энергиям аморфи зации. ')нер1ия поверхностной связи Gal'

IX

эпределенная аналогичным образом, равна энергии поверхностной связи шстого галлия.

5) Эксперимсш.шмю установлено, что при распылении полупроводниковых ма1сриалов (ial\ (iaAs, hü', GaSh, InAs, hiSh и твердых растворов Л/хО«|_х/!\ при бомбардировке ионами Ar\ ,Vc+ ЛМ и :месью ионов Ar1" - lj+ оора»уется рельеф конусного (пирамидального) типа, соторый при углах падения частиц 0>60-75° (в зависимости от материала лишени) преобразуется в "волнообразный" тип.

6) Обнаружено, что на hiSh при облучении ионами Л'2 1 под упюм 40° )т нормали к поверхности образуется рельеф "ступснчаго-фасегочпого" типа

6) При высокодозном облучении GaAs ионами Ar' с энергией -5 юВ в фиповерхностной области образуется измененный слой, содержащий збласти обогащения как галлием так и мышьяком, толщина коюрого зависит зт экспозиции облучения и досчитает 200 им при 5 к>В и 'I' 4,5*Ю'9 тон/см2, что существенно больше проективного npoöeia ионов (R-10 мм). Аномальный характер образования и эволюции измененного слоя может бьнь збьяснен в рамках модели (10), учишвающей аитокагалшическнй процесс шорфизации, а также рекристаллизацию и сегрегационные процессы и «мененном слое.

7) Учет noiepb энергии, обусловленных разрывом o6i.eMin.ix связей при шбивании распыляемых атомов m равновесных положений, » модели ^скольких столкновений обеспечивает удовлетворительное согласие жепериментальных и рассчегных значений пороговых энергий распыления |ростых материалов.

8) Анализ порогового распыления бинарных матеранов проводимый в эамках модели нескольких упругих парных столкновений позволяет оценить юроговыс энергии распыления компонентов и предсказать характер погашения поверхности при облучении частицами с околопороговыми жергиями.

Список цитированной литературы: I. Grove W.R., Philos. Mag. 1853. V.5. Р.203

!. Malherbe J.B. /Critical Reviews in Solid Slate and Materials Sciences. 1994. /.19(2). P.55.

1. Sigmund Р./ Phys.Rev. 1969. Vol.184. N2. P.383.

ïigmund P., Lam N.Q./ Mat.-Fys.Medd.K.Dan.Vid.Selsk.. 1993. V.43. P.255.

4. Юлии В В / Электронная техника Сер Полупроводниковые приборы 1984 Выи «172) С 3-16

5 Ondcrlinden О / Can' Joum.Phys 1968 V 46 Р739

см так же 11 Li Rosendaal/ Sputtering yield of monocrystal targets, in book Sputtering by particle bombardment 1 Edited by R Berish Springer- Verlag 1981 (Рокнлал X Ко>ффициенты распыления монокристаллических мишеней, cip 281 в книге Распыление твердых тел ионной бомбардировкой пол ред Ьсриша Р М "Мир" 1984 )

6 Yamamura V . Bohdansky J /Vacuum 1985 V35 N12 P56I

7 Eckstein W etal/NucI Instmm Meth in Pins Kes В I9<>3 V 83 P95

8 Falcone (i / Nuovo Cimento 1990 V 13 PI (перевод Фальконе Дж ■ Успехи фит нау к I 162 №1 С 71)

9 ИаП'Р К .Switkowski / Е /Appl I'hys I ett 1976 V 29 Р 549-551

10 М G Stepariova' "Modelling of long-range damage irr ion-bombarded gallium arsenide", 3rd Int Conf on Computer Simulation of Radiation Effects in Solids (C'OSIRES'96). Univ of Surrey, C.mldlord. UK. 22-24 July 1996, Abstracts. P21

11 Yamamura Y / Radiat FIT 1981 V 80 P 57

12 Свегцов IUI , Данилов H I . Чеснокова 1.Л УПлашохимическое и ионно-химическое травление полупроводниковых материалов типа Об юры по электронной технике Серия 6 Матсриаты 1989 11 6(1487)

13 Kauschner W et al Appl Pli\s I ctt 1986 V 48 P230

14 N Matsunami ct al Atom Data and Nucl Data Tabl 1984 V3I PI

Основные [к плы.тш диссертации оп\олимжлны в следующих работах I HAbepi. К К) 11о1|ч.'0ицкий. И II Сошников. К) II Юрьев' Основные гакономсрткми распыления i Ь (0011 ионами ,1г' с жср1исн 1-9 кчН // ЖТФ 1992л 62,'вып 4. cip 162-170

2. H А Ьсрг, И И Сошников ' Распыление (hi.U нонами А г- ;ия 1ПМ поперечных сечений XIV ВЮМ. С у иаль. IV90 Гет докл XIV Веесоннн конф по ыектронной микроскопии, cip 108-109 M l'WO

3 IIAbepi, И 11 Сошников Некоторые икоиомерносги распыления кристаллов ////' ,1 г' -нонами/ X Всесокнная конференция "ВИН -199Г. Ьеннюрол 1991 Материалы десяти Всесоюш конф "Нмичодействис ионов с поверхностью", г I. стр 89-90 M IWI

4. Н.А.Берт, h К > 11огребицкий, И.П.Сошников, Ю.Н.Юрьев/ однообразный профиль состава по глубине в GaAs, подвергнутом эмбардировке 2-8 кэВ Ar* - ионами.// X Всесоюзная конференция "ВИП -)91", Звенигород 1991, Материалы десятой Всесоюзп. конф. Ззаимодействие ионов с поверхностью", т. 1, стр.88-89. M. 1991.

5. Н.А.Берт, И.П.Сошников/ Распыление соединений Gal', GaAs, GaSb твердых растворов AlGn h при бомбардировке Arf -ионами с энергией 2-8 )В.// XI Конференция "П таимолействие ионов с поверхностью", Звенигород 593, Материалы одиннадцатой конф. "Взаимодействие ионов с эверхностью", т.1, стр.113-114. М. 1993.

6. Берт H.A., Сошников W.U.J Изучение распыления кристаллов осфида, арсеннда и антимонида галлия при бомбардировке Ar* -ионами с тергией 2-8 кэВ.// ФТТ 1993, т.35, вып.9. с.2501-8

7. Сошников И.П., Берт H.A..// Влияние объемной связи на величины эроговых энергий каскадов распыления твердых тел./ ЖТФ 1996, т.66. №6, 84-92.

8. N.A.Bert, A.O.Kosogov, Yii G.Musikhin and l.P.Soshnikov/ Sputtering of I-V Semiconductors and Heterostructures with 1-9 keV Ar* Ions // C5, H-MKS )93 Spring Meeting (Strasbourg, May 4-7, 1993).

9. N.A.Bert, l.P.Soshnikov/ Few elastic collisions appioach for thiesliold mttering of binary materials // Abstracts International Conference oil Atomic ollisions in Solids 17-21 July 1995, Linz, B92.

10. Берт H.A., Сошников H.H./ Распыление GaAs, Inl' и GaSb при эмбардировке ионами N с энергией 2-14 кэВ.// Материалы XII еждународной конференции "Взаимодействие ионов с поверхиоаыо" ¡енигород, 3-7 сентября 1995, т. 1 стр.123-125.

11. Берт H.A., Сошников И.П., Степанова М.Г./ Эффект структурного шыюдействия и фазовые превращения в арсениде галлия при ионной )мбардировке// устный доклад на межгосударственной конференции взаимодействие излучений с твердым телом" (ВИТТ-95), Минск, Беларусь, )-19 октября 1995.Тезисы конференции "Взаимодействие излучений с ¡ердым телом", Минск, 1995, 1.3, стр.27.

12. М.Г.Степанова, И.П.Сошников, К.Ю.Погребицкий, Н.А.Берт./ энцентрационные волны и эффект структурного дальнодействия в арсениде ллия при ионной бомбардировке// XXVI Международное совещание

21

"Взаимодействие заряженных частиц с кристаллами " (Москва, 1996). Тезись докладов XXVI Международное совещание "Взаимодействие заряжениы; частиц с кристаллами", М. МГУ, стр.21

13. Сошников И.П., Берт П.А., Козырев А.В., Кудрявцев Ю.А., Луне! А.В./ Распыление полупроводниковых соединений при бомбардировк< ионами и атомами аргона с энергией 200-600 эв// XXVI Международно;* совещании "Взаимодействие заряженных частиц с кристаллами" (Москва 1996).Тезисы докладов XXVI Международное совещание "Взаимодействи< заряженных частиц с кристаллами", М. МГУ, стр.108

14. I.P.Soshnikov,K. N.A.Bert, Yu.A.Kudrjavtsev,A.V.Luncv/ Sputtering о III-V semiconductors under argon atom and ion bombardment//IBMM'96 Albuquerque, NM, USA Sept 1996, Abstract TU44

15. I.P.Soshnikov,K. N.A.Bert/Electron energy losses in the few collisioi model for threshold sputtering of the binary materials// 1BMM'96, Albuquerque NM, USA Sept 1996, Abstract TU45

16. M.G.Stepanova, I.P.Soshnikov, K.Yu.Pogrcbitsky, N.A.Bert/ Long-ranj: compositional and structural changes in ion-bombarded GaAs// E-MRS 1996 Sprin Meeting (Strasbourg, June 4-7, 1996).

17. Сошников И.П., Берт Н.А., Кудрявцев Ю.А., Лунев А.В Распыление А* В 5 полупроводниковых соединений при бомбардиров* ионами и атомами аргона с энергией 200-600 эв// Поверхность 1997. №3

18. К.Ю.Погребицкий, И.П.Сошников,Н.А.Берт/ Примененк электронной эмиссии на краях поглощения рентгеновского излучения дл исследования профилей состава в GaAs, вызываемых бомбардировкой ионам /)/■'//Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе, 1996.

19. I.P.Soshnikov,К. N.A.Bert, Yu.A.Kudrjavtsev,A.V.Lunev/ Sputtering о III-V semiconductors under argon atom and ion bombardment// Nucl. Instrum Metrh. B. Proc. IBMM'96.

20. Long-range compositional and stnictural changes in ion-bombarded GaA: M.G.Stepanova, I.P.Soshnikov, K.Yu.Pogrcbitsky, N.A.Bert//E-MRS 1996 Sprin Meeting (Strasbourg, June 4-7, 1996).