Моделирование изменения состава поверхностных слоев при высокодозном ионном облучении твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ им. У. А. АРИФОВА

? Г Б М

г * СЕН ШС . W537.534.7i.533.924

на правах рукописи

ДЖУРАБЕКОВА ФЛЮРА ГАТИФОВНА

«МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ПРИ ВЫСОКОДОЗНОМ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.»

Специальность 01.04.04 - «Физическая электроника»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент - 1998

Работа выполнена на кафедре «Физика и Технология Материалов» Ташкентского Государственного Технического Университета имени Абу Райхана Беруни.

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук, профессор

Пугачева Т. С.

Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук, профессор

Умаров Ф.Ф.

кандидат физико-математических наук ВойцеховскиЗ И.А.

Ведущая организация: - Ташкентский Государственный Ушшерситет им. Мирзо Улугбека.

Защита диссертации состоится 1998 г. в часов

на заседании Специализированного Совета Д.015.23.01 по специальности 01.04.04. (физическая электроника) при Институте Электроники им. . УА. Арифова АН РУз по адресу: 700143, г. Ташкент, Академгородок, ул. Ф.Ходжаева, 33.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института Электроники им. У. А. Арифова.

Автореферат разослан <и-/<Р» (Х&1998 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор технических наук,

профессор // ХАМИДОВН.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Ионная бомбардировка твердых тел является одним из наиболее технологичных методов направленного изменения физических и химических свойств поверхностных слоев, что связано с возможностью дозированного введения практически любых примесей в любые материалы. Это нашло широкое применение при легировании полупроводников и создании на этой основе интегральных схем и новых приборов микроэлектроники, при получении защитных покрытий (особо твердых, жаропрочных, антикоррозийных и т.д.), в имллантационной металлургии (при создании новых конструкционных материалов).

В последнее время все большее внимание привлекают процессы сопровождающие высокодозную ионную имплантацию: эффекты каскадного перемешивания и селективного распыления многокомпонентных материалов, радиа-ционно-стимулированная диффузия, активация таких процессов, как химические реакции, фазовые переходы, сегрегация и десорбция. Эти процессы ответственны за изменение состава и физико-химических свойств поверхностных слоев. Так, недавно было обнаружено, что, используя процессы радиационно-стимулированной диффузии (РСД) можно получить достаточно толстые слои с улучшенными свойствами (жаропрочные, особо твердые и т.п.) при высокодоз-ной интенсивной низкоэнергетичной ионной бомбардировке, что значительно дешевле применяемого ранее способа высокоэнергетачной ионной имплантации.

Для понимания механизмов всех этих явлений и оптимизации методов направленной модификации поверхностных слоев необходимо развитие теоретических представлений и, в частности, развитие методов компьютерного моделирования.

Целью настоящей работы является разработка моделей и проведение исследований с помощью ЭВМ изменения состава поверхностных слоев ряда двухкомпонентных материалов при высокодозном ионном облучении с учетом процессов каскадного перемешивания, распыления и радиационно-стимулированной диффузии.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи.

1. Усовершенствовать алгоритм динамического моделирования процессов, сопровождающих высокодозное ионное облучение многокомпонентных мишеней. Исследовать эффекты преимущественного распыления ряДа материалов.

2. Разработать модели, описывающие радиационно-стимулированную диффузию по вакансиям и междоузлиям, увязав решение диффузионных уравнений с результатами расчетов каскадов атомных столкновений по монтекар-ловской программе САБЬЕ^-Б.

3. Провести исследование на основе предложенных моделей изменения состава поверхностных слоев ряда материалов в зависимости от дозы, энергии, интенсивности ионного облучения и температуры мишени.

Конкретные расчеты проводились для следующих материалов и бомбардирующих ионов:

» EN, SiC, В4С (материалы, используемые в термоядерных реакторах) при облучении ионами D+, Не+, Аг+ с Ео = 0,5 - 20 кэВ;

о a-Fe при низкоэнергетичном облучении ионами А!+, используемом для создания жаропрочных слоев;

♦ GaAs, Si (материалы, широко используемые в микроэлектронике) при облучении ионами Ва+ и Аг+ с Е0 = 0,5 - 5 кэВ и ионами В+ и Р+ с Ео = 2, 50 кэВ (S¡).

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. Создана программа CASNEW-D на основе метода Монте-Карло, позволяющая рассматривать процессы дефектообразования, ионной имплантации, распыления и рассеяния для многокомпонентных мишеней в широком диапазоне доз и энергий, которая в отличие от других программ, учитывает энергетическую зависимость полных сечений упругого рассеяния и влияние энергетических потерь на длину свободного пробега ионов и атомов мишени.

2. Получены дифференциальные характеристики распыления и исследовано методом компьютерного моделирования изменение состава поверхностных слоев от дозы облучения таких материалов как SiC, В4С, BN и GaAs.

3. Впервые показано, что на преимущественное распыление отдельных компонент многокомпонентных мишеней влияет не только соотношение масс и энергий связи, но и соотношение полных сечений упругих столкновений.

4. Разработаны модели радиационно-стимулированиой диффузии как на основе диффузии по вакансиям, так и диффузии по междоузлиям, увязывающие решение диффузионных уразнений с результатами расчетов по CASNEW-D распределений дефектов и внедряемой примеси.

5. Предложен механизм, позволяющий объяснил, сильное обогащение бором поверхностных слоев BN при облучении легкими ионамнГ ^

6. На основе разработашаи} моделей впервые получены количественные результаты пространственного распределения Al при высокодозком низкоэнер-гетичном алитировании a-Fe в зависимости от плотности ионного тока и температуры мишени..

Научная ценность представленных Исследований заключается в разработке моделей радиапионно-стимулированной диффузии, увязывающих решение диффузионных уравнений с результатами расчетов каскадов атомных столкновений и позволяющих учитывать пространственное распределение не-

равновесных дефектов, захват их стоками, срезание поверхности вследствие распыления и реальные распределения внедряемой примеси, а также в выявлении относительной роли различных механизмов изменения состава поверхностных слоев.

Практическая ценность заключается в создании программ для ЭВМ, позволяющих рассчитывать изменение состава поверхностных слоев в зависимости от типа" и энергии ионов, дозы и интенсивности облучения, температуры мишени. Это дает возможность с помощью ЭВМ находить оптимальные условия для направленной модификации поверхностных слоев при разработке технологий создания новых материалов.

Основные положения, выносимые на запднту:

1. Алгоритм и программа CASNEW-D для расчета изменения состава поверхностных слоев и характеристик распыления многокомпонентных материалов при высокодозном облучении.

2. Результаты исследования дифференциальных и интегральных характеристик распыления SiC, В4С, GaAs и BN.

3. Результаты расчета изменения состава поверхностных слоев вследствие преимущественного распыления и каскадного перемешивания таких материалов как BN, В4С и GaAs.

4. Модели расчета изменения состава поверхностных слоев вследствие РСД и диффузионные уравнения для случаев, когда диффузия осуществляется по вакансиям (Al - a-Fe) и когда основной механизм - междоузельный (BN).

5. Результаты расчета по диффузионной модели 'изменения профиля концентрации Al в a-Fc при бомбардировке ионами А1+ с энергией 0.5 - 2 кэВ в зависимости от дозы, интенсивности облучения и температуры мишени. •

6. Результаты расчета обеднения азотом поверхностных слоев BN при облучении нонами D+ и Не+ с энергией Ео = 1 - 20 кэВ на основе предложенного механизма с использованием диффузионной модели для разных доз, ионных токов и температур.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

1. Международном симпозиуме «По вторичной электронной, фотоэлектронной v

эмиссиям и спектроскопии поверхности твердого тела» (Ташкент, 1994 г.) 2.1-ой Республиканской конференции по физической электронике (Ташкент, 1995 г.)

3. Международных конференциях ВИЛ - XII и ВИЛ - XIII («Взаимодействие ионов с поверхностью») (Москва, 1995 г. и 1997 г).

4. IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996 г.)

5. Международной конференции «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии» (Ташкент, 1S97 г.)

6. 10 -й Международной конференции ГОММ (Albuquerque, USA, 1996 г.)

7. Международной конференции REI-9 (Knoxiville, USA, 1997)

8. Международной конференции SMMIB-97 (Gatlinburg, USA, 1997)

9. 11-й Международной конференции IBMM-98 (Amsterdam, the Netherlands, 1993)

Публикации. По материалам данной диссертации опубликовано 18 работ.

Вклад автора в работу заключается в усовершенствовании Монте-Карловской программы CASNEW и создании на ее основе динамической программы CASNEW-D; участие в создании диффузионных моделей; все результаты расчетов были получены непосредственно автором; активное участие в обсуждении результатов.

Объем и струстура диссертации. Диссертация состоит из сведения, 4-х глав и заключения.

Основное содержание изложено на 141 странице машинописного текста, включая 5 таблиц, 33 рисунка и 168 наименований литературы.

Спдертепинге рдботм.

Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы, определена их научная и праятечесгая значимость, приведены положения, выносимые иа защиту.

В Главе 1 приведем краткий обзор теоретических и экспериментальных par бот, посвященных процессам, ответственным за изменение состава поверхностных слоев при высокодозном ионном облучении твердых тел й машинным методам их исследования.

Описаны процессы, которые могут привести к томекеншо состава позерх-ностных слоев при высокодозном ионном облучении твердых тел.

Дан обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию процессов преимущественного распыления многокомпонентных материалов. Показано, что несмотря на огромный зкспериментальныгКматери-ал, собранный исследователями зА последние десятилетия, многие вопросы, связанные с этим явлешгем, остаются нерешенными до спх пор. Так, моггао ожидать, что легкая компонента, имеющая большей пробег будет распыляться сильнее. Однако, во многих случаях поверхностные слон обогащаются именно легкой компонентой (В4С, BN, СаАз). Предложенные кз основе теоретического рассмотрения эмпирические формулы учитывали соотношение масс и соотношение поверхностных энергий связи, однако ясно, что различие полных сече-" 1Шй столкновений должно влиять ка распределение энерпш иона по разным

подсистемам атомов и, следовательно, на эффекты селективного распыления. В некоторых случаях (например, для В1Ч) каскадная модель вообще не могла объяснить сильное обогащение одной из компонент (бором), поскольку массы атомов близки, а энергии связи одинакйвы.

На основе большого количества литературных данных рассматриваются процессы каскадного (ионного) перемешивания. Показано, что эти процессы могут объяснить образование переходных слоев при облучении многослойных мишеней или при нанесении покрытий из ионно-молекулярных пучков, образование новых фаз, некоторые особенности распыления многокомпонентных мишеней.

Описаны методы машинного моделирования. Показано, что при исследовании высокодозного облучения мишеней сложного состава наиболее приемлемым является метод Монте-Карло. Анализируются модели, используемые для учета эффекта больших доз.

Подробно рассмотрены работы, посвященные процессам радиационно-стимулированной диффузии. Показано, что при теоретическом описании этого явления в большинстве случаев делались довольно грубые предположения: на. пример, не учитывалась пространственная зависимость коэффициента диффузии или эта зависимость бралась в виде спадающей экспоненты, использовались грубые аппроксимации для распределения внедряемой примеси и неравновесных дефектов, расчеты не привязывались к машинным расчетам каскадов атомных столкновений и в большинстве случаев не доводились до конечных результатов, а рассматривалось асимптотическое поведение. Во всех случаях рассматривалась диффузия по вакансиям и практически не рассматривалась диффузия междоузельных атомов. •

В заключении обзора сформулированы основные выводы из проведенного анализа имеющихся работ и поставлены задачи диссертационной работы.

В Главе 2 обосновывается выбор потенциалов упругих взаимодействий и приводится расчет сечений упругих взаимодействий. Рассматривается усовершенствованная методика Монте-Карловского расчета низкотемпературного высокодозного ионного облучения.

При описании движения быстрой частицы в твердом теле учитываются как локальные, так и нелокальные потери энергии на возбуждение электронной подсистемы. Первые - по модели НоЬикоп'а Оеп'а, последние - по модели Ьтс1-ЬагсГа - БсЬагЯРа - БсЫоП'а для атомов средней части таблицы Менделеева и по модели Би^уата для легких частиц, когда существенны Ъ- флуктуации таких потерь. Упругие (ядерные) столкновения делятся на «далекие», когда угол рассеяния не превышает заданный угол р, а потери энергии в упругом столкновении много меньше энергии налетающей частицы, и «близкие», сопровождаю-

щиеся существенным отклонением траектории. Параметр разделения - Ро - радиус полного сечения упругого рассеяния, зависящий от энергии, масс и атомных номеров сталкивающихся частиц. «Далекие» столкновения учитываются как непрерывное торможение. Сечение упругого взаимодействия от = яро2(Н, mi,m2,Z|,Z2) рассчитывается в импульсном приближении с потенциалом Борна-Майера. «Близкие» столкновения рассчитываются с помощью интеграла столкновений, а также временного интеграла (определяющего положение точки пересечения асимптот к траекториям сталкивающихся частиц. Используется известный потенциал Циглера-Бирсака-Литтмарка, а также потенциал «Кг_С» (для тяжелых частиц).

При низких энергиях модель расчета близка к известной модели TRIM, а при высоких происходит автоматический переход к Пуассоновскому распределению свободных пробегов (так называемая «газовая» модель твердого тела). При этом предлагаемая модель учитывает влияние непрерывных потерь энергии на длину свободного пробега.

При рассмотрении каскадов атомных столкновений в многокомпонентных материалах данная модель позволяет более корректно определить сорт атома -тартнера, так как вероятность столкновения с атомом i-ro сорта определяется ке только концентрациями атомов разного сорта (как в TRIM и других программах), но и их сечениями, зависящими от энергий:

дП*°*(Е) (1)

Ё^(Е) j-i

Здесь Пк - атомная концентрация k-ой компонента, т - число компонент.

В предлагаемой модели при рассмотрении каскадов атомных столкнове-шй и расчете распределений точечных дефектов учитывается атермический сотжиг» близких пар I-V (если расстояние между вакансией и междоузельным (томом Г|.у < га, где г, - радиус зоны рекомбинации).

При больших дозах облучения, как и в других динамических моделях, рас-:матривается слоевая геометрия мишени и рассчитывается изменение состава шшени в каждом слое для каждого шага по дозе. При этом учитываете^ как ¡срезание» поверхности из-за распыления,« так и релаксация упругих концек-рационных напряжений. Особое внимаиие уделено условиям на поверхности и вменению поверхностного потенциального барьера с изменением атомного со-тава поверхностного слоя при наличии химических связей элементов. Приво-[ится блок-схема динамической программы CASNEW-D.

В главе 3 представлены результаты, полученные с помощью каскадной [рограммы CASNEW и ее динамической версии CASNEW-D.

В разделе 3.1 приводятся результаты расчетов процесса распыления материалов SiC и BjC, исследуется влияние учета энергетической зависимости радиуса полного сечения упругих взаимодействий на результаты расчетов каскадов атомных столкновений, в частности, на эффект преимущественного распыления. Проводится сравнение результатов расчетов по программе CASNEW и широко известной программе TRIM. Показано, что в случае существенного различия сгупр для компонент мишени эффективности их распыления при расчете по CASHEW различаются больше, чем при расчете по TRIM. Полные коэффициенты распыления, рассчитанные по обеим программам оказываются близкими. Распределения внедренной примеси при высоких энергиях в случае CASNEW лучше согласуется с экспериментом, чем при расчете по TRIM.

В разделе 3.2 приводятся результаты расчетов изменения состава поверхностных слоев BN при облучении ионами Не+ и D+. Для объяснения наблюдающегося экспериментально обеднения поверхностных слоев BN азотом динамическая программа CASNEW-D была модифицирована с тем, чтобы учесть возможность десорбции атомов азота, оказавшихся «свободными» в результате разрыва всех связей в объеме и подошедших близко к поверхности. При этом действительно наблюдалось обеднение поверхностных слоев азотом, но меньшее, чем обнаруженное экспериментально. Предложены две модели расчета динамики изменения состава слоев: 1) без учета диффузии внедренных атомов Не+ и D+; 2)с учетом перемещения газовых атомов в слои с меньшей концентрацией. В первом случае наблюдается образование газовых пузырей, что согласно, эксперименту, возможно при облучении нонами Не+. Во втором случае внедренные атомы распределяются равномерно по толщине мишени, частично де-сорбируются с поверхности.'

В.разделе 3.3 представлены результаты расчетов динамики изменения состава поверхностных слоев GaAs при облучении ионами Ва+ и Аг+. Приведены энергетические и угловые зависимости полных коэффициентов распыления (Ys) и отношения парциальных коэффициентов распыления компонент (as). Показано, что эффект преимущественного распыления слабо зависит от угла падения ионов. Сравните с экспериментом дает хорошее согласие. При больших дозах наблюдается обогащение галлием поверхностного слоя, что также согласуется с экспериментом. Дозовые зависимости парциальных коэффициентов распыления галлия и мышьяка показывают, что режим насыщения ( YsCa = YSas) достигается несколько раньше в случае бомбардировки поверхности GaAs ионами Ва+, чем при бомбардировке аргоном. Исследована динамика изменения профиля распределения внедренного бария и приведены пространственные распределения компонент в поверхностном слое при дозе насыщения (рис.).

Ео = 1 кэВ

С, ат.%

а)

С, ст.% >

с)

С, ат.%

С, гп.'Я

d)

Рис. Распределение атомных концентраций Ga(l), As(2) и Ва(3) в поверхностном слое GaAs после облучения ионами Ва* (а и Ъ) и Ar+ (cud) с дозой 5-1016 см"2. Ео = 1 кэВ (а,с); Ео = 3 кэВ (b,d).

Точки - экспериментальные данные, предоставленные проф. Умирзаковйм Б.Е.

В главе 4 рассматривается процесс радиационно-стимулированной диффузии, который имеет место при повышенных температурах мишени под облучением и предлагаются две модели. Первая модель рассматривает диффузию, ускоренную за счет образования неравновесных вакансий в процессе облучения. Решается система диффузионных уравнений для вакансий, генерируемых в каскадах атомных столкновений и внедряемой примеси. Последнее учитывает зависимость коэффициента диффузии от координат, имплантацию примеси и срезание поверхности вследствие распыления. Функции источников для вакансий и

и

внедренной примеси, а также значения коэффициентов распыления берутся из расчетов по CASNEW-D. Решение диффузионных уравнений проводится методом конечных разностей (программа DIFFUS), приведены результаты расчета распределения Ai, имплантируемого при низкоэнергетичной (0,5 - 2 кэВ) высо-кодозной бомбардировке а - Fe при разных температурах мишени. Показано, что без учета генерации неравновесных вакансий, диффузионные уравнения дают такие же распределения примеси, как и рассчитанные по CASNEW-D ( при Т £ 300 К). Учет РСД приводит к увеличению толщины легированного слоя почти в 50 раз. При Т > 900 К влияние РСД несущественно на фоне обычной термической диффузии.

Приведены также расчеты распределения бора и фосфора, внедряемого в Si с энергией Ео = 2 -50 кэВ. Учет РСД для P-SI дает хорошее согласие с известными экспериментальными данными, тогда как для В-Si такого согласия не наблюдается вследствие того, что диффузия атомов бора, по-видимому, предпочтительно протекает по междоузельному механизму из-за малости их ионных радиусов.

Проведено .исследование влияния температуры и плотности ионного тока на эффект РСД. .

Вторая диффузионная модель была разработана для случая диффузии атомов по междоузлиям, при условии, что они образовали дефекты внедрения под облучением. Модель была развита для описания поведения BN при высокодоз-ном облучении ионами D* и Не*. Записывается система уравнений: ôCi д* С, ÔC, С_

"й"=са^"к»п°(1"с-)с' "к'с' +v17+Jf«Î (2)

Jf(x)Sa+K,n0(l-C(.)CI +К.С, + V^-

Здесь С| - концешрация смещенных в междоузлия атомов азота, а Ссв -«связанных» (находящихся в узлах решетки). В первом уравнении второй член описывает захват междоузельных атомов азота собственными вакансиями, третий - ловушками с постоянной концентрацией (дислокации, границы зерен и т.д.). Учитывается также генерация междоузельных атомов азсгга в процессе облучения {последний член в первом уравнении) и срезание поверхности за счет распыления (V • скорость движения поверхности). Коэффициенты распыления и функция источника атомов, смещенных из узлов решетки, берутся из расчетов CASNEW-D. В граничных условиях учитывается десорбция «свободных» атомов азота с поверхности.

В разделе 4.4 представлены результаты решения системы (2). Проведено исследование изменения концентрационных профилей азота в BN в зависимости от условий облучения при бомбардировке ионами Не* и D+ при разных

энергиях (1-20 кэВ). Результаты показывают значительное обеднение поверхности азотом, соответствующее наблюдаемому экспериментально, чего нельзя было объяснить с помощью динамической каскадной модели.

В Заключении суммируются результаты и делаются выводы.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработан алгоритм и создана программа CASNEW-D на основе метода Монте-Карло, позволяющая рассматривать процессы дефектообразования, ионной имплантации, распыления и рассеяния для многокомпонентных мишеней в широком диапазоне доз и энергий, которая в отличие от других программ, учитывает энергетическую зависимость полных сечений рассеяния, что важно при определении вероятности столкновения с атомом данного сорта. Кроме того, учитывается влияние энергетических потерь на длину свободного пробега ионов и атомов мишени, что существенно при высоких энергиях облучения. Про-. грамма позволяет производить расчеты изменения состава мишени при высоких дозах облучения с учетом «диффузии» атомов внедренной примеси при бомбардировке ионами газов.

2. Проведено сравнение результатов расчетов распыления SiC и В4С ионами Не+, D+ и Аг+ по программам CASNEW и широко известной программе TRIM. Показано, что введение энергетической зависимости полного сечения взаимодействия влияет на эффект преимущественного распыления, особенно, в случае SiC, где различие между радиусами полных сечений взаимодействия компонент существенно. Показано, что в случае SiC происходит обогащение поверхностного слоя углеродом, а в случае В4С - бором, причем с увеличением дозы облучения состав поверхностных слоев стабилизируется.

3. С помошью созданной программы CASNEW-D проведено исследование изменения состава поверхностных слоев BN при больших дозах облучения ионами плазмы. Показано, что с учетом десорбции молекул N2 происходит обогащение поверхности BN бором. Однако, это обогащение меньше наблюдаемого экспериментально. Показано, что если не учитывать «диффузию» внедренных атомов газа, то их скопление с увеличением дозы приводит к образованию газовых пузырей.

4. Проведено комплексное исследование изменения состава поверхностных сдоев GaAs при облучении ионами Ва+ и Аг+, обусловленного процессами преимущественного распыления As и каскадного перемешивания. Исследовано влияние энергии и угла падения ионов на полный коэффициент распыления и на отношение парциальных коэффициентов распыления as, а также исследовав ны дозовые зависимости парциальных коэффициентов распыления в случае бомбардировки ионами бария и аргона. Получено, что обогащение поверхностных слоев галлием при бомбардировке ионами барием несколько больше, осо-

бенно, при низких энергиях, при этом полученное обогащение согласуется с экспериментально наблюдаемым. Сравнение расчетных и экспериментальных профилей внедренного бария при дозе насыщения также дают хорошее согласие.

5. Разработаны две модели, учитывающие радиационно-стимулированную диффузию (РСД) при больших дозах облучения и достаточно высоких температурах мишени и увязывающие диффузионные уравнения с результатами расчетов по каскадной модели. Первая модель позволяет проследить «размывание» профилей распределения внедренной примеси в процессе облучения при условии, что механизм протекания диффузии - вакансиониый. Вторая модель разработана для случая, когда атомы одной из компонент двухкомпонентной мише..и (BN), образовавшие дефекты внедрения в процессе ионной бомбардировки диффундируют по междоузлиям.

6. Приведены результаты расчетов по диффузионной модели для алитиро-вания железа при различных условиях облучения, а также профилей распределения Р* в Si. Показано, что если учитывать только диффузию по равновесным вакансиям результат расчета по диффузионной модели практически не отличается от результата каскадной модели. Глуб.ина проникновения ионов увеличивается с ростом дозы облучения и температуры. При значительном увеличении температуры (t > 7G0°C дяя Al - a-Fe) роль РСД существенно уменьшается, из-за значительного увеличения концентрации равнозесиых вакансий. Сравнение расчетов по предложенной модели с известными экспериментальными данными для Р+ - Si дает хорошее согласие

7. Проведено исследование изменения концентрационных профилей азота 1. ж бомбардировке BN конами Не* и В* с энергиями 1,5 и 20 кэВ. Показано, что предложенная модель позволяет объяснить наблюдаемое экспериментально сильное обеднение азотом поверхности BN при высокодозном ионном облучении при высоких температурах мишени. Рассмотрено влияние различных параметров, определяющих условия облучения, на результирующие профили распределения азота.

Таким образом, проведенные исследования показали, что при низких температурах облучения разработанная программа CASNEW-D позволяет описать изменение состава поверхностных слоев при различных дозах облучения и исследовать эффекта, связанные с преимущественным распылением отдельных компонент и каскадным перемешиванием. При этом учет энергетических зависимостей сечений упругих взаимодействий существенен при рассмотрении процессов преимущественного распыления.

При повышенных температурах мишени следует учитывать РСД, причем предложенные модели, увязывающие решение диффузионных уравнений с ре-

зультатами расчета каскадов атомных столкновений позволяют не только качественно, но и количественно описать изменение концентрационных профилей в зависимости от дозы, интенсивности и температуры облучения, что позволяет использовать их при разработке технологий создания поверхностных слоев с заданными свойствами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пугачева Т.С., Ковалев С.П., Ильичева И.Е., Джурабекова Ф.Г. О диффузионном размытии профиля внедренной примеси в процессе интенсивного ионного облучения. // Изв. РАН, сер. Физическая, 1992, т.52, №7, с.54 - 58

2. Pugacheva T.S., Jurabekova F.G., Lem S.A., Miyagawa Y., Valiev S.Kh. Computer simulation of SiC and B4C sputtering by Ar+ and He+ ioïis bombardmetnt. // Nucl.Instr.&Meth.in Phys.Res.,B, 1997, V.127/128, p. 260 - 264

3. Valiev S.H., Pugacheva T.S., Jurabekova F.G., Lem S.A., Miyagawa Y. The radiation stimulated diffusion rôle in high dose, low energy, high tempereture ion implantation. // Nucl.Instr.&Meth.in Phys.Res.,B, 1997, V.127/128, p. 265 - 268

4. Джурабекова Ф.Г., Пугачева T.C., Ташмухамедова Д., Умирзаков Б.Е. Профили распределения бария в GaAs при высокодозной низкоэнергетической бомбардировке ионами Аг+.// Изв. РАН, сер. Физическая, 1998, т. 62, №7, с. 1459 - 1460

5. Pugacheva T.S., Jurabekova F.G. Effects of cascade mixing, sputtering and diffusion by high dose light ion irradiation of boron nitride.// Nucl.Instr.&Meth.in Phys.Res.,B, 1998, #1614

6. Пугачева T.C., Ильичева И.Е., Джурабекова Ф.Г. Механизмы преимущественного распыления карбида и натрида бора при низкоэнергетичной ионной бомбардировке. // УзФЖ (1996), № 3, с.43-48

7. Пугачева Т.С., Джурабекова Ф.Г., Миягава Е Модификация монте -карловского алгоритма при расчетах взаимодействия ионных пучков с многокомпонентными мишенями. // УзФЖ, №4, с.52-59.

8. Пугачева Т.С., Джурабекова Ф.Г., Мирджалилова М.А. О механизмах преимущественного распыления при ионной бомбардировке многокомпонентных мишеней.//Тез. VIII Межд. симпозиума по ВЭЭ, ФЭЭ и спектроскопии поверхности твердого тела, 1994, Ташкент, с. 109 -110

9. Пугачева Т.С., Ильичева И.Е., Джурабекова Ф.Г. Компьютерно^ моделирование распыления нитрида и карбида бора легкими ионами.// Тез. VIII Межд.симпозиума по ВЭЭ, ФЭЭ и спектроскопии поверхности твердого тела, 1994, Ташкент, с. 113

10. Джурабекова Ф.Г., Пугачева Т.С. Модификация монте-карловского алгоритма типа TRIM при расчетах ионного внедрения и распыления многокомпонентных материалов.// Тез. IV Всерос. конф. по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц, 1996, Томск

П.Пугачева Т.С., Ильичева И.Е., Джурабекова Ф.Г.О боронизации нитрида и карбида бора при нгакоэнергетичной ионной бомбардировке. // Тезисы XII Междунар.конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью», 1995, Москва, с. 132 -134

12.Pugacheva T.S., Jurabekova F.G., Lem S.A., Miyagawa Y., Valiev S,Kh. Computer simulation of SiC and B4C sputtering by Ar+ and He+ ions bombardmetnt. // "10th International Conference on IBMM'96", Albuquerque, NM, USA.1-6 September 1996, man J57

13.Valiev S.H., Pugacheva T.S., Jurabekova F.G., Lem S.A., Miyagawa Y. The radiation stimulated diffusion role in high dose, low energy, high tempereture ion implantation. //"10th International Conference on IBMM'96", Albuquerque, NM, USA.l-6 September 1996, man.#58

14.Джурабекова Ф.Г., Пугачева T.C., Мирджалилова M.A., Али Заде Д. Особенности распыления карбидов бора и кремния при бомбардировке ионами Аг+ и Не+У/ Междунар.конф. «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии» (Ташкент, 1997 г.), с. 130

>15.Валиев С.Х., Джурабекова Ф.Г. Пугачева Т.С. Моделирование радиаци-онно-стимулированной диффузии при высокодозном ионном облучении твердых тел Л Междунар.конф. «Эмиссионная электроника, новые методы и технологий» (Ташкент, 1997 г.), с. 131

16.Джурабекова Ф.Г., Пугачева Т.С., Ташмухамедова Д., Умирзаков Б.Е. Профили распределения бария в GaAs при высокодозной низкоэнергетиче^кой бомбардировке ионами Аг+Л Материалы XIII Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», т.2, с."284 - 286, 1997 г.

17.Pugacheva T.S., JurabekovaF.G., Valiev. S.Kh. Modeling of sputtering and surface layers composition change of BN under light ions bombardment with high doses.// Gatlinburg, USA, SMMIB-97,21-27 sept. 1997

18.Pugacheva T.S., Jurabekova F.G. Effects of cascade mixing, sputtering and diffusion by high dose light ion irradiation of boron nitride.// Knoxville, USA, REI-9 , 14-19 sept. 1997

ЮК.ОРИ ДОЗАЛИ ИОНЛАР БИЛАН НУРЛАНТИРИЛИШДА КАТТИ^ ЖИСМ СИРТИЙ КОТЛАМ ЛАРИ ТАРКИБИНИНГ УЗГАРИШИНИ МОДЕЛЛАШ.

Джурабекова Флюра Гатифовна (ишининг кискача мазмуни)

Компьютер моделлаш усули бплан каскадли аралашиш, кучли едирплиш хдмда радиацион-стимуллашган диффузия жараёлари билан богли^ булган сиртий 1$атлам узгаришини урганилган. Монте-Карло усулига асосланган CASNEW-D программаси яратилди.'Ушбу программа энергияси ва дозаси кенг ораликда узгарувчн купкомпонентли нишонлар учун ни^сонлар хосил булиш жараёнларшш, ион имплантациясини, ионларнинг сиртда сочилиши ва сиртдан учиши жараёнларини кузатиш имконини беради. СА8№Е\\'-0 программасининг бошка программалардан фарьу! шундаки, у эластик сочилиш тули^ кесимининг энергияга богликушгини ^амда энергетик йукртишшшг ион ва нишон атомларининг эркин нул узунлигига таъсирини эътиборга олади.

СА8ЫЕ\\'-0 программаси ёрдамида ионларнинг сиртдан учиши диффузион харакгеристикалари ашнуганди, шушшгдек, Б1С, В4С, ВЫ ва СаАэ материаллар учун сиртий катлам таркиби узгаришининг нурланиш дозасига богликлиги урганилди. Купкомпонентали нишонлардан айрим компонентларнинг сиртдан учиши нафа^ат масса ва богланиш энергиясининг узаро муносабатларига, балки эластик тукнашишнинг тули^ кесимлари муносабатига ^ам-боглшушги ашиутанди.

Юкрри дозалм ион нурланишнинг нишон харорати юкрри булгандаги таъсирини урганиш учун радиашган-стимулдашган диффузия модели яратилди. Бунга кура диффузия вакансиялар, тугунлараро булиб диффузион тенгламалар ечими нщсонлар ва киршималар таксимоти СА8№!\\Ч} программаси ечими билан мое тушган.

Яратллган модел асосида ю^ори дозали кичик энергияли алюминий билан ишлов берилган а-Реда А1-нинг фазавий тацеимотини ионлар токига ва нишон температурасига боглшушги тугрисида мивдорий маълумотлар берилган.

О

Енгил ионлар билан нурлатилганда ВЫнинг сиртий 1у1тламини бор билан кучли туйинишини тушинтирувчи механизм таклиф килинган.

MODELING OF SURFACE LAYERS COMPOSITION CHANGE IN SOLIDS BY HIGH DOSE ION IRRADIATION.

Jurabekova Flura Gatifovna

(Short maintenance of the work)

The surface layers composition change caused by processes of cascade mixing and preferential sputtering as well as radiation stimulated diffusion at the elevated target temperature were investigated computer aided. The dynamic CASNEW-D program has been worked out using the Monte-Carlo method. The program allows to consider the processes of defects formation, ion implantation, sputtering and scattering for compound targets under irradiation within wide range of doses and energies. Unlike other ones CASNEW-D code takes into account the total elastic interaction cross-section energy dependence and influence of energy losses on the free flight paths of ions and target atoms.

With the CASNEW-D the differential sputtering characteristics have been obtained as well as the surface layers composition change with the increasing of irradiation dose has been investigated for the materials as SiC, B4C, BN and GaAs. It has been shown that not only the relations of atom masses and binding energies but also the relation of the total elastic interaction cross-sections of the components influences on the preferential sputtering of multicomponent target species.

Two "radiation stimulated diffusion models were elaborated both the base of the diffusion via vacancies and the diffusion via interstitials for the elevated temperature of irradiation. The solution of diffusion equations was connected with the CASNEW-D calculations of defects and impurity atoms distributions.

On the base of the elaborated models the quantity results of A1 depths distribution by the high dose low energy AI ions irradiation of a-Fe in dependence on the current density and temperature.

It is offered the mechanism which allows to explain the strong enrichment of the BN surface layers with boron atoms under light ions irradiation.. .