Моделирование высокодозной ионной имплантации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

еч

РОССИЙСКАЯ ¿КАД2ШЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ННСШУТ ШЪНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи УдК 539.124

Абдрааитов Владимир Геннадьевич

шдеерошше EL;coKoj;OSttoîl иоаюй ешшицей

Спгшалыюсть: 01.04.04 --Зззическая олзктрокиса

. А 3 Т. О Р S Ф Е Р А Т хссортгцкя на сояекенив ученой стзпзнз ккакдата &î3ir:îo-r.:arcï.'anrroc:;inr наук

Tcr.c:c - Î993

ГсСэта ъцпйлг; Га^х^'Гутс ^хгрс;:.-

С',;С.:г:'з;:ого осдзхош;;; РосаглспоЛ :■'.,:.:.; ¿г-.-;:, г. Уем;-;:

НАУЧНЫЙ РУКОЗОЕЛЕЛЬ; ка^дат

йсоз В.Ь.

ОЧйДШШНиЕ ОШОНЗНЭД: доктор наут;,

щюфзосор Чорлсъ II.IL (Токский Еолитеззшческкй укиверскхв?) кзаяцдат флз1шо-шагеиаппао101х наук Попов В.П.

(Институт с^юшш полупроводников Р/;Н, г. Новосибирск)

ВЩУЩйЯ ОРГЖШЦЕЯ: ИнстЕту? злзктрс&жза УрО РАН, г. Еао'ГеричОурр

За:л1-та состоится "_"__;_ 1924 г. в _часов

на заседании спзциализцровонного совета Д.003.4!.О! при Кястатуте сильноточной олектрогдп;л СО РЛП (624055, г.Томск, пр.Аиа-Дзглчесгай, 4)

С диссертацией озигкстатьея з оис^потэке йютгтути СЛЛЬКОТОЧЛОЙ ЗЛ0:ГЛЙГ22ГД СО РАЙ.

..1/:орфзраг разослан "'7" —г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСВПСА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффекта высокодозной конной кшлантзшги (ВИИ) проявляются прп дозах Ф > 1014 с:-Г£, при которых существенную роль начкнаат играть высокие концентрации примэси и наведенных дефектов, а та:с:в распыление и распухание поверхностных слоов в результате столкновительных и диффузионных процессов, пряводаза к кзкенегага как распределения имплантируемой пригласи, так я кслцеитрашп компонент га&иня. ВИИ является основой рядз технэдапгческнх процессов, позволяющее получать материалы с уки-кздьшлта поверхностшки свойства;.'.;;. Однако фкзяка процессов при EL'.Ii до конца не установлена, поэтому их анализ вакен как в чисто научном, та;: и в пр;пспадном аспекте.

В настоящее время известен ряд моделей, описывающих процессы при Е1Й. НаиболылеЯ точностью описания столкновительных процессов обладают так называемое "дина.^гческие" йодели, в которых исходные данные (функции вероятности распределения конов и точечных дефектов, парциальные коофф'нкентц распыления и т.д.) рассчитываются по обычным "статическим" монте-карловским прог-рс.мг.ггм. При это,'.! к пспользусг.'ым ^онте-карловски:,! щютраааи предъявляется плсткке требования как по точности, так и по производительности расчета.

Прп использовании результатов монте-карловского моделирования, например в динаг.гнчеоких прзграгллах, часто возникает проблема их корректного представления. Обычно такие результаты получа-i:-7 в виде гнетогра.та иди моментов распре деления, которые требуется ашроксягжровгть. Наиболее часто для этях излей используется либо распределение Гаусса, либо Пирсона IV1'. Однако в ряде-работ показано, что область определения этих функций очень ограничена.

¡Гзгзскпз днкз;.:кизскгз глодзлз TRJDY;;2' п EVOLVE35 оснсьанн

t) Пространственные распределения энергии, выдэлэнной в каскаде атегяшх столкновений в твердых телах // БурвЕков А.Ф. и др. И.: Знергоатомпздат, 1S85. 248 с.

2) Holler w., Eckstein Я. // Kucl.Instr.LIeth. 19S4. v.B2. p.814. •

на предположении об аддитивности процессов при ВИИ, их взажюке-зависимзсти. Дздитивность позволяет построить последовательность операций по расчету состава мишени, но внесение нового процесса или необычные "условия протекания уже включенного в «одаль процесса вызывают необходимость перестройки всего алгоритма расчета. Отметим кроме этого, что результата расчета по обета моделям имеют существенные количественные, а иногда дэ:-:э качественные различия. Поэтому актуальным является создание математических моделей и программ, учитывающих взаимозависимость процессоз В1М и позволяющих единообразно расширять.их при учете новых процессов .

Вазиой задачей является использование результатов компьютерного моделирования для оптимизации режимов ионно-лучевых технологий. При этом очень существенным является учет технологических условий, в которых осуществляется обработка (например, нагрев деталей при облучении, геометрия поверхности, эффект науглероживания и др.), являющихся не универсальными, но ваишма фактора?® в отдельных технологиях.

В связи с изложенным цель работы состояла в разработке моделей и создании пакета программ, предназначенного для моделирования процессов в имплантируемом слое при высскодозной ионной имплантации, исследовании закономерностей в формировании состава этого слоя и расчете оптимальных режимов ряда технологий, основанных на методе ВИИ.

Для достижения поставленной цел;; необходимо:

1. построить физико-математическую модель и разработать высокопроизводительную программу, моделирующую столкновителькые процессы при ионной имплантации в одно- и многокомпонентные мишени для расчета распределений ионов и вложенной энергии, точечных дефектов, а также коэффициентов распыления и отражения; исследовать влияние сечений взаимодействия на основные характеристики имплантации;

2. разработать метод и программу для аппроксимации распределений ионной имплантации; исследовать основные закономерности восстановления по моментам математических функций, используемых. для аппроксимации распределени;! ионной имплантации;

3) Goktepa O.P. et.al. // Hucl.Instr.Meth. 1986. v.BÎ3TpT439".

3. построить ^язическув н кгтемзютескуз «одели взсокодок:э2 копкой гмздаптгцйк, учиткваших взаимозависимость процессов BIH; разработать пакет программ для моделирования дшклос: Тсокпогициошюго состава кипени при ВПК;

4. разработать программу для расчета тепловых полей в мшена прз высокодозно?, конной имплантанта; исследовать закономерности те-мпературного рзхимз на источниках конов нового класса -

- льско-пек:ол!ческ1Н ¡зсдлантерзх; Ь. исследовать закономерности формирования заданного состава по-взратости гз-леш: для ряда технологий, основанных на методе Bin:. :: рзгсчит&ть для шас свткмзлыше рзгами облучения. Нзушзя асвагнз ъьбоуа заключается з разработке удзпко-матемз-тдчедзд; моделей процессов при ВаСокодозноЛ иоьлгаЯ имплантант::,

^йр2кг«гркзу.?тся ряде;/ вдеовь;."' получзшпгх результатов, прэл-гтлзллкдлл тозретлчесвуд. ;; пззкт::ч-с;:ую сонность для развит::.; Т'-со:';: :гд;но.*: ;з,млантац:л: и е>.- твхио.гог::чесх1Н. приложений.

Г:::: отел: па э;л;лт7_вкнссятся ссодуш"* модели и nsorpg'.?'Я Г7:.;-;'; лрелрз::! УУУУУ. ъ :-:зтор:г перенос ледов л втзрлл-...... ■ ■: в\л :з v е: е л "гп^-У-азл". до сл;!"е кзтастр:-

лт-дзл; ллзлллсее::::.':, а р':с~зд?ле;з;я лсжзУ :д-плантации зл-;:-"л:с:е-:л.ул;'ел Д\ ллллллл елеллл: Г.У.Г^'У.Г- з :::. . еУзгл-свалпем гзлу--" ■'л-:'л;;"ллл: зеечеллле в С-ес";

У. "ддгль DV У: . у::л:лвзлл;л одлевзе"е:п:еет!. л взапкоза:.'.:-: п,:ег;;-ллл:Д ссделллл праве г.сев i.p:: ьпесдодозлсД конке . '"дл'.нтад":::, л зедер'лв;:;з в- змодели панет прзгр.СУСЛУ. "л~?"лл.......::Л д:в-;е::;з"" кз'л;";в:злотого состава м;лл;;з: пои виез-

_v а Л-_зулллл_;лл:еелт: .у слелу;лз:е jpyynye .дпллелеугул

У. Улл систем !а-Уе, У1-У- и Уг-У'е дзодеое даспаддого г;лг --."' ::л:л ллл Утр:: глселолсгвсд ;:е;~л,Л ллплзитз:::л: сдвздедлетел х-:--г::д;ел емечнвеег'зети азставлявд:::: элементов и, позтему, для Te.-I v л У У - Г -з егиачз^ет;-^ ''олелвв теплового пллз, а ллл Gr-Уе - сто.дг-:ля::':злзизД та згиД. '

" 4. Накопление углерода на поверхности сталей при высокодс?-нсГ;. искней имплантации кзрСкдообрззукс.'зг ионамз в высоком золу-уда (нрд давлеид! -у 10~э Па) происходит в соответствии с фазевел ддагезммзй твс2зоЗ спстетя ион-C-Fe так, что углерод полносты; евлззз: з соеданэкяях с ионами, а распределение углерода в мпгекк

оппсзьсэтся процессом каскадного шрокзсаз&ниа.

5. Ьйогозаряднссть пучка тягаох. еоное в кудудьскз-шрдоди-чуско;,: рзягке не из:.:зпзт унимодальности взсскодазного ксацзв-трациондого профиля.

Пэактичвскзя значимость.

Таблица распределен;!.: яогюз, эдажгрокгзх я йЛзрн^г. потерь энергии, получвинпо по программе TRICIï с исиользовани;?.: нож более точных сечений взаимодействия, а пак:::; тип и .'хпэктк ац-ПрОКСЖСфУВДЯХ ИХ функций Шгоссна для бОЯЬСЭГС числь K0KCï38UE2 еод-моош» могут быть использован;; з научных и технологических целях для определения профиля шхлззгарованнах ионов и наведанных ими дефектов.

Исследованы физические основы процессов Енедрекяя химически гкгквкзх ионов, науглероживания сталей, облучении деталей сложной форш, которые могут быть использованы при разработка технологий получения эффективных катализаторов, хроглировании металлов и сплавов.

Получены закономерности температурного рея&га еысокодозеой понноя шгаантации на шаульсио-периодаческкх Esamaasepas и найдены оптимальные решн облучения на них сталей, которые Сник использованы в Республиканском инкенерно-технствеком центре СО РАМ при создан™ технологии упрочнения деталей, изготовленных из яартенситных сталей.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на ряде конференций, в том числе на

- Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с ' • тверды;.: телом" -(г.'дкек 1934, Москва 1987, 199!, 1993);

- V Всесоюзном совещании по мякродозкмзтрип (Усть-Нарва 1935);

- Всесохснш симпозиуме по сильноточной олектронике (•Томск 19S6, 1988, 1990, 19Э2);

- ZVIII Всесоюзнс;д совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 19S8);

- Всесоюзной конференции "Пошю-лучевая кода$8кацая материалов" (Томск 1987, Каунас 1989);

- Всесоюзной конференции "Мовфащщя свойств конструкцкошзх ____:,:лтериглсз. пучкам;: _заря:,-.энных частиц"____________________________________

.'Томск 1988, Свердловск 1991);

- :.!гздукас0диоа конференции по ионной хмшгвг&ш в полупровод-

-ojii ^'-^'^'..VJ Г;..,-¿О е.. ...г. ,

-. UHblm í.i'ub'iii îi ' о,

•ïEsrçsc, Oí u ::o:i5o;:d ¡s b'bb'Cîri "ssiL'i-rudis 371 ез eiîicoîfs:* ::

g¿i г;: niÁiziczvz: vi^ziílig 'сгга ixÄ,:;;, ,

•it~âOKs£3 ex ÍUOIOQO nSiBideooii^ чысреа к E.Í'.X:ía'SÍD

'■icSsirxor' ücc.ÍÍC; *co¿i2:¿i!c-c::i Cí "/-Lchc.i з i;::

-3Í0 01 онзаомптр/лс атзгаосскг ."jircnde.Lb:; cu ЧпйЕг^дй

-(0651 r-tfo)

ísixoBh iii';G3Eiiii scffeiaase« xsaosaaroaoan&'ost ^ a беге ;ns:;,ooíixd83on агозезо ¡гягхйгел са ^шжаахнек ^спгс^гнлг..«; ; -

îiOùSJ ЖГО) ccsreœicic;; г^язяв^зГоя згоаоь!йг-сз»ек on шшноаэано;; цонгсагш&ис-!; ил -

• lessi SGZSëdg) ¿sLioBh я8вя&£з к «блгоьйгег ЕО-енйе^оЛ взптак^агсл ci: клнзае;аоц yssïciBûÊr:;^ щ -!(8£3} csïircTî) шггаелск е:ыл±г c.rssa

катастрофических столкновений иона при замедлении от энергии 2 до Е£, что более физически: и математически точно, чем кониапдгх "среднего пути", использованная ТШ£>. Особенности рзедизаник в ТЙ10Я схемы катастрофических столкновений позволяют учесть влияние изменений .ядерных 2 и электронных сечений в(Е) Еа.вз^рсау пробега, что особенно важно при моделировании высскоэнергетглес-кой ионной имплантации.

Во многих монте-карловских прогржмах рассеяние рассчитывается из сечения йадхарда. Однако оно получено в мадоугловш пржШяеши и может давать существенную ногрееность. В 351011 угол рассеяния рассчитывается точно из интеграла рассеяния, а для достижения высокой производительности используется сплайн-аппроксимация из предварительно рассчитанных таблиц. Исследование показало, такая методика гарантирует точность расчета'характеристик рассеяния .лучше чем 2% во всем диапазоне параметров, что значительно превосходит 'точность полузмпирических соотноае- . шгй в ТН1Н (5% в среднем и до 10% при больших прицельных параметрах ).

В главе приводятся обзоры потенциалов межатомного взаимодействия и электронных потерь энергии. Показано, что обычно на-лучшее согласие с соответствующими экспериментальными данными получается'для потенциала гвь5; и теории "эффективного заряда"6?

С целью тестирования программы ТНШ1 проведены расчеты распределений ионной имплантации для большого числа комбинаций ион-кквень, изуче!-шых ранее экспериментально и/или теоретически. Показано, что результаты моделирования по програьмэ ПИОН хорошо согласуются к'ак с расчетами но транспортной теории и по другим монте-карловским программам, так и с экспериментальная! данными. Причем расхождение наших результатов с экспериментальными данными по сравнению с другими теориями обычно значительно меньше, что мы связываем с использованием более точных сечешь! взаимодействия.

По программе ТШШ проведены исследования особенностей мо-

д) Б1егзаск Я.Р. еЬ.а1.// Hucl.Instruiri.Meth. 1930. у.174. р.257.

5) гХедХег ,Г.?. et.al. // Ргос. Ш'1 1оп Епа1пеег1д2 Сопдгезз. — Куого." 1383. р. 1861______________________ ______________________ _ .. ..

6) ВгагЛь П., Шае&т/а ¿¡. // Рйуз. Нет. 1932. у.В25. р.5631.

делирования различных характеристик ионной имплантации. _Твк, например, исследования показали, что для корректного расчета функции распределения точечных дефектов (рис. 1) и коэффициента рас--

Рис. 1 Распределение вакансий, образованных при имплантации БЬ с энергией 100 кэВ в Б1: 1-ТШ0К, аналитический расчет каскадов как в 2 - ТИХОН, моделирование каскадов без учета аннигиляции; 3 и 4-1Ш0и, моделирование каскадов с учетом аннигиляции по модели М2 образования атома отдачи (3) и модели М1 (4); 5 - эксперимент.

Рис. 2 Зависимость коэффициента распыления Ре от зпергпи ионов Аг: 1 -ТйЮИ, плоская модель поверхности, модель М2 образования атома отдачи; 2-ТН10!!,. плоская модель поверхности, М1; З-ТШОН, сферическая модель поверхности:; 4-эксперимент; 5 - теория 6 - теория 8).

пыления (рис. 2) необходимо непосредственно рассчитывать каскады столкновений, а не ограничиваться' соответствующая аналитическими приближениями. При этом при расчете коэффициента распыления необходило использовать плоскую модель поверхности и модель Ш для образования атома отдач:!, в которой считается, что образо-

7) 51вшип1 Р. // РЬуБ. Иет. 1969. 7.184. й 2. р.383.

8) Уаташта У. // Ргос. 1пГ1 1оп Епз1пеег1ге Сопдгевэ. Куого. 1983, р.1875.

¡А км

50000

доооо

5Ь(100 Е3в; в ^г распределение пзхгалегей

0.00 0.02 О.СИ 0-06 0.08 0.10 Шеи

О О Рн

£ 40

а

3" £2.0

Аг в Ре

3 "-7

5

л й а

а

3*" 4

„ С о о ^"У 'о 2

•В*

Ъ 5» о

о О О О О о

О 10 20 30 ¿О 50 У

ванаийся атом отдачи имеет энергию Qz, равную разнице переданной энергии Q и энергии образования вакансии иъ, ко предполагается, что если атом остановится на расстоянии от места рождения меньшем, чем радиус спонтанной аннигиляции, то он атермически аннигилирует с вакансией. В модели М2 считается, что 0.г = Q - 2 , где Ed -энергия смешения, т.е. для атома отдачи устанавливается энергетический барьер, эквивалентный перемещения до границ зоны аннигиляции. При расчете распределения точечных дефектов эти модели (М1 и М2) эквивалентны.

Вторая глава посвящена описанию метода апппроксимацнк распределений ионной имплантации по момента;,! функциями системы Пирсона с перенормировкой исходных расчетных моментов в моменты аппроксимирующих математических функций и разработанной на его основе программы PIRS0N. Для этого подробно рассмотрена система Функций Пирсона, восстановлен вид каздой функции, получены формулы, связывающие параметры функции с моментами, и их области определения. Показано, что для описания унимодальных распределений ионной имплантации пригодны функции I - VII и XI типов. Приводятся формулы границ областей определения унимодальных функций, из анализа которых следует, что критерием выбора требуемой функции монет служить пара значений - коэффициенты скошенности Sk и эксцесса Показано,.что функция Гаусса или метод функции' Пирсон IV1} имеют очень ограниченную область применения и их распространение на всю область <Sfc, ¡32) приводит к существенна погрешностям (рис. 3). Из рисунка видно, что аппроксимация гис-

Рис. 3 Распределение электронных потерь протонами, имплантированным! с энергией 20 кэВ в Sí: гистограмма 1- расчет по программе TRI0K, 2 - функция Пирсона типа IV, построенная по методу 1): 3-функция Пирсона типа I, построенная по моментам гистограммы; 4 - расчет по программе PIRS0N (функция Пирсона - типа - VI).' - - -

тограммн (кривая-О'по методу } приводит к существенной ошибке (кривая 2). Результаты аппроксимации по расчетным-моментам (кривая 3)- значительно лучше.

В главе указывается на необходимость перенормировки моментов реальных распределений в бесконечные моменты аппроксимирующих математических функций и подробно описывается разработанная схема восстановления распределения по его моментам, реализованная в программе PIRS0N. Так из рис. 3 видно, что наилучшая аппроксимация достигается при преобразовании расчетных моментов в бесконечные (кривая 4). -

Исследования распределений ионной имплантации для большого числа комбинаций ион-мишень в. области энергий 1 - 200 кэВ показали, что аппроксимация распределения ионов мало изменяет средний проективный пробег, но более значительно сказывается на других моментах. При этом чем тяжелее ион, тем меньше отличаются моменты исходного и аппроксимирующего распределений. Обычно из-монекие моментов проявляется в том, что значение, нечетных уменьшается, а четных' - возрастает. Однако для тяжелых ионов коэффициент эксцесса убывает. Тип атароксимируших распределение колов функций плавко меняется с увеличением энергии от I типа до IV.

Перенормировка моментов особенно существенна для распределений электронных пот-ерь энергии и энергии, выделенной в упругих столкновениях. Для аппроксимации распределений электронных потерь энергии обычно используются функции Пирсона I и II типов. Если максимум профиля находится вблизи поверхности, то значение коэффициента эксцесса аппроксимирующей функции близко к границе области определения унимодальных распределений. Тип ашроксвмируквдх распределение атомных потерь энергии функций очень резко меняется с увеличением энергии от I типа до ГУ. ,

В трётий глава диссертации описывается разработанная модель и программа DYGOD (DYnamio GODe), моделирующие процессы при ВКК. Модель DYC0D описывает изменение концентрационного состава кащеш системой уравнений неразрывности для концентрации n1,}z' t) Kas~ дого компонента к

dtlk(Z, t) -34(2, í)

+ —5-= QJZ, t).

дг дг

В таком подходе основная задача состоит в корректном описании всех взаимозависимых потоков / , приводяпще к перераспределению

атомов сорта ft.

Наиболее существенной особенностью ВШ от низкодозовол является релаксация решетки мишени в результате накопления большого количества дефектов. Связанный с релаксацией потоки атомов ¿г мы математически описываем то механизму гомогенной релаксации, используемой в программе 2).

Для этого механизма условие равновесия определяется из со-отнопения £ Q^nk(zf t) = 1 (Gfe - объем атома сорта к), а релаксационные потоки атомов разных сортов взаимосвязаны: /Г /пк = const. Следовательно, релаксационные потоки такке описываются уравнением неразрывности, но с источником Ап (z, t)

Q.Az, t) = An. > П.——1-, где А п. - изменение концентрации

k г At s

каздого кохзгонента за время At.

Задав нз поверхности граничное условие с учетом распыления со скорость» и я предположив, что диффузионные потоки описываются законом Фика, получена систему базовых уравнений' модели ШCOD: '

дпЛг, t) d dn.(z, t) , ->dn,(z, t)

—* -------— t)-—-+ fw(t)-u(a, t)|--* - - -

a* й л* ..l. J

dt dz * dz ^ J dz

- r(Z, t)-nh(S, t) + Qh(Z, t), '

u(z, t) = t)ÛZ', r{z, î) = I <VQj(z, t).

которая учитывает процессы диффузия, распыления, релаксации плотности iaeш, внедрения ионов и перераспределения атомов ми-, пени (каскадное перемешивание).

Таким образом, надель DYC0D, в отличие от TRIDYÏÏ и EVOLVE, основана на строгой математической модели, учитывающей взаимозависимость процессов ВШ и позволякеей расаирять ее при описании новых процессов через введение дополнительных потоков Jh без перестройки всего алгоритма расчета .

На основе программ TRI ON, ÏIRSOÎt, DYCOD разработан пакет программ DYCOD, моделирующий динамику композиционного состава :дишени при Bid. Начальные дашше - концентрация элементов исходной мишени и доза имплантации. Моделирование ведется шагами по дезе ДФ._На каждом шаге рассчитываются по TRI0N распределения ионов, точечных дефектов и парциальные коэффициенты распыления.

В Р1К30Н распределения аппроксимируются и являются начальники данными для ВУССЮ. В итоге имеем состав мишени посла имплантация дози ДФ. Шаг ДЗ выбирается достаточно мальм Для линеаризации коэффициентов уравнения (*).

Пример моделирования динамики состава при ВИИ по программе СУССШ показан на рис. 4-6 для случая имплантации ионов аргона

1Е+022

С£+СОО'

Рис. 4 Распределение ионов Аг, шиантированных с энергией 5 кэВ в ЬиРе, для разных доз ишланташш: 1 - 4-1015 см"2,

2 - 3-1015 си"2,

3 - 2,2-Ш16 с>,Сг.

2, А

о. во -

к

0-0.55

1 - 4.0*10'! стГ*

2 - 8,0»10 ? ст"?

3 - 2,2*10 ст

«5.0.45 -1

Рис. 5 Композиционний состав сплаза ЪиРе, сяыантнрсванпого ионами Аг с энергией 5 кзЗ, для разшх доз-имплантации:

1 - 4-1015 см~а,

2 - 8-Ю'5 см-2,

3

2,2-Ю16 см"

0.40 -

10о

гЗЗГ А

для разных доз в модельный сшгаз 1и?е. Известно, как ведет себя распределение йоков, превращаясь от гауссовсподобяого вида при низких дозах в распределение с максимумом на поверхности в рзет-ме насыщения (рис. 4). При этом коэффициент саморзспнлэнкя ионов становится равным единице (рис. 6). На рисунках кривые с:с~::ч~1 относительно начала координат на расстояние, рашоз тогцикз рас-

Pite. G Зависимость коэффициентов распыления компонент сплава LuFe,. имплантированного конами Аг с энергией 5 кэВ, от дозы имплантации:

1 - атомов Аг,

2 - атомов bu,

3 - атомов Ре.

паленного слоя для данной доен.

Более слоеный характер носит распределение компонент сплава (рзс. 5), что определяется с одной стороны, преимущественным распылением более легкого кзлеза, с другой - интенсивным образованием его атомов отдачи, которые накапливаются на глубинах за проективным пробегом. При этом коэффициенты распыления атомов кшшени выравниваются в соответствии с установившемся стехиомет-ричеашг составом.

■ Отметим, что форма распределения соотношения компонент сплава я ее зависимость от дозы хорош согласутся с результатами моделирования яо ТИПШ12) •9>, но не с EVObVE3'.

На рис. 7 приводен пример тестового расчета' ВИИ одиокомпо-кзптной мвзени для случая имплантации ионов тантала с энергией 150 кэВ в келезо. 1'з рисунка видна важная роль процесса каскадного перемешивания в распределении примеси при ВИИ. Путем срав-НЗШ1Я расчетов с экспериментом найдено, что для системы Та-Ре этот процесс описывается моделью теплового пика (кривая 4), а не, столкновителыюй теорией (кривая 3). Это мы связываем'с хорошей смачиваемость» компонент системы Та-Ре, большим абсолютным зна- ■ чением их энергии смешения.

В четвертой главе диссертации представлены результата исследований с помощью разработанных программ физических основ и репэлов различных конно-лучевах технологий.

Одним из способов создания эффективных катализаторов явля-

9) lían S.H. et.al. // Kucl. Instr. Иэ№. 1990. V.B45. р.701.

« Рис. 7 Распределение исков Та в Ре для-дозн 1,8»1017 см"2 для разных, моделей аервшшео-ния: 1 - 0=1 ^Ю'^сн"2,

2 - теория 10),

3 - теория 11). 4 - эксперимент.

ется метод ШЯ активного элемента в металлическую матрицу. Расчеты показали, что оптимальным решим для получения Ра-катализаторов на титаной основе является реким имплантации ионов с энергией 5 кэВ и дозой 4,5-1016 см"2.

Большая часть результатов по исследованию возможностей БКИ получена при нормальном падении пучка ионов на плоские образки. В главе представлены результаты расчетов распределения ионов для разных углов падения и форы деталей. Получено хоропее согласие с экспериментом по дозе внедрения для разных углов падения.

Исследование ВИЙ вращающихся пгшщтвсках деталей показало, что в этом случае для получения того- ке эффекта от пшшнта-ции, что и в плоской геометр®!, необходимо использовать диафрагму. Однако при этом требуется значительно большая доза общения.

Как показывают эксперименты, большое шияако на характер протекающих процессов при ВИЙ оказывает температура пятая. Для расчета тепловых полой в мишени при ВИИ нами разработана программа НЕАТ, основанная на решении одномерного урззке-ия теплопроводности с граничным условием, учжговзкзда теткесннод, Функцией источника уравнения является распределение влогенноЗ: энергии, рассчитываемое по программе ТНЮП.

Проведенные исследования для 1^.атулъст-пер:ю^:чоск:!Х лм-

ю) 31©шпа Р. еь.а1. // Ж1с1.1пзЬгЛе№, 1931. у, 182/133. р.25. 1-1) Лншзсп й.Ь. еИ.а1. // Кие1.йш'й\Ке1й. 1835. Т.В7/8. р.657.

плаптеров типа "¿lEWA"121, "ДИАНА"13) показали, что основным пара-кэтроа кмолантера, опроделяизим тепловой режим облучаемого материала при ВИЙ, является средняя плотность тока J. На рис. 8

Рис. 8 Температура пластины a-Ре толщиной 1=1 сы в зависимости от дозы облучения ионами 57 с энергией 100 кэВ для раз- -ннх средних плотностей тока: J = 0,6(1 Е 6), 1,5(4 Е 5),' 10,3(2 К 7) И 74(3 И 8) мкА/см2. 1, 2, 3, 4 - расчет по програм ¡.:е HEAT, 5 - эксперимент, 6, 7, 8 - расчет по формуле.

представлены результаты расчетов температурных рахмов облучения стали ШХ-15 для раздах средних плотностей тока (кривые 1-4). Измеренные в Республиканском шшенерно-техническом центре СО РАН температура (точки 5) оказались близки к расчетным для той ке J.

Эти расчеты позволили совместно с РКП! СО РАН разработать технологию упрочнзкзя' иартенситных. сталей и найти для ш оптимальный ра;:::с облучения, который достигается при средней плотности тока J = 1,5 мкА/см2. Такой рестл реализуется при следующих параметрах шкантера "ДИАНА": Jx = 0,2 мА/см2 и v = 25 с-1.

.Исследования такке показали, что градиент температуры по толзлнз образца при облучении на импульсно-периодкческих имплан-терах незначителен. Тогда изменение температура образца в процесса облучения коано'определить из баланса энергии úf*

I.e.р.— = р - 2.'е.о.(Г4 - Tí), где I - длиЕа обвазца, с -üt 1 ° теплоемкость, р - плотность, Р, - плотность мощности пучка ионов,

е - степень черноты, о - постоянная Стефана-Больцмана, Г0 - начальная температура образца.

Используя ряд математических приближений получено выражение для средней температуры образца Г* при ВИИ

ia) Вгош I.G. et.al. // J. ¿ppl. Phys; 1988. т.63. p.4889.

13) Аксенов Д.И.. Бугаев С.П. и др. // ПГЭ. 1987. JS 3. с.139.

[pt/z-e.a + q/2 + Qi/2)1/3 +{_q/2_ Qt/2)V3_-a/3Jf

где q = p3/27 + q2/4; g = 2/27.a3 + a-b/3 r n; p = - a2/3 + b; a = fsc(i - л)(2 - Oc) f sj/d; b * (5 - G* ~ 230-(t + n)]/d;

- = [(t - eQ}2 - nj'/vt; d = 1 -f- 290 + * n);

a = (f + 8c)/(t 4- âQ)exp(jt), 9 « ?c/j>,/2'S.o + i£)1/A,

7 = 4-e-o.f?,/2.e<a + î^]3/4/(c-p«Z).

На рис. 8 показано сравнение точннх расчетов по прогрк?.'.-з Н2.4Т и но ùzt'.ujie (крsue в - 8). Видно, что формула дает пртем-

опенки срздпзЗ тегягературу образца при плотности тока до *30 "«А/с!!2.

3 главе проведен анализ результатов ВКИ з условиях цара:,:зс-ленной откачки. Известно, что при.облучении в плохом вакууме (прл давлении р > Ю~А Па) в результате полимеризации углеводородов на поверхности мишени происходит быстрый рост пленки загрязнений. 3 диссертация исследован случай гкплаятадпи в е:;сс;сс:.: zzz?-уме и показано, что тем не менее влияние процесса наутязрогггз-ния на распределение кгплэнтировашюй примзсз значительно как по Сорме распределения, так и по внедренной дозе (р;>с. 9). При зтс:.!

Рис. 9 Распределения Сг (1-4) и углерода (4б) в Ре, кяиан-ифовакнсм иона:zi Сг с энергией 150 кзВ до доз:? 2>1017с:.Г2. Точки 1 - эксперимент 1 '5, Кривне рассчитана по программам: 2 - IHPLNT1i\ 3 - DYCCD, 4 - ШСОВ с учете:.; нзуглерош-22нпя.

1Д) Sr.iût F .A. et.al. // Hat. Scî. Eng. 1987. v.90. p.385.

яоксжзез./ угкзглда ш сэвгргзавс crsjsfi jçijîssoâï сз шр& из-гзсзплв пссэркясткз!! коадзсхргвк кокос в соэгч,зтстаск с Чазова:: ддагрс;.:,.:о;: spc&soü с::сгсгг: £оц-С-?е га:, что угхорэд хшкос-ïit'ï сслзйг; в созджгшгяг с

Егсхздозссо кждазаа 1шлрош; углорода с иэсзргностд ь vrjúh ïz^jua шиазеяэ, что рзспродздокпо угдорода в jsnsißi с до-, роаэй wc¿c**b3 опйсзв&зтсл процессом каскадного езреиэпзбазйк» а роль каловое ЕогначЕтгдьпа пр:: асаоргургг z->

70...£0gÜ.

Кздос:шо, чго суцзиезгаз.'- оозйзнцроть« а-пер;:

сляг-дора; Д2л:;отсл ^згоаарясккгл, оучкз ьоиь. Ь гя; л pi'jOT1b' i"c:лр-:npctíiu;;: Е:Г.1 на так:::. иптллл-'iùv:'.-z, 1к:ол.одзга:--о kexï теориичесю» пссдздоьанид no-t^s-v * кгко;*. сокола согдлсллэ рзсчотах я шяервюкгалдая: данил- . pp. глгсл' г; цсгзол".; л I..:-.

!;;,: Î- л,

-íj'l-ií^l'e.-.. '-л'>: • v: ii,:: ;.л:жл,

í. .Рглрлслт:.:; :..::;. гтглог прзгрг.л ïIoC:, : злл.л.л;;ллл.£ '"tic ;i r.ior. ; - ллп"оз в ел.лзлл1,/-s v¡ л

; :;лс. : л ,ллл_х._: • ьлл л.сл .o, л, uViáy'V. ¡ jto."■"...'.

- ,." S;IH;;:, o;:.:,лл: j k'jw^;;:-с-*.,, -

; vr,:-¡. ;лглл, И'лл л л;Лол,,.-;:. ьллэллл гелл^-л:

1. "Or^v;.'. i':'*- Л.ЛЛ .Л,. _ U-ЛЛ^ЛЛЛ Ç Л^ЛЛДЛЛ:;:.: *

- s joT'p- V ел-1

■ г.:-,*-.:-;',: лл......: л.л I i - VII "I

г\л.л;л.::: lio ¡rjr::" :: . : .лл, ч,;: л ■; -px :c. л .лл -

'¿¿i* ллл; ¿'с:: ' o , лстл c:' 'jo i

пр;с5л.;:лоллллз ллсчстл"; гл-ллхсз р..— pôCibU-,:---"!^ i; Сс-с:.fü^a:: ■..■vriyr.:: г.:.. д. ¿.-^¿i ¿í-íó о."

1S-) v^-.ííó-A.?. // Г^^кь. »С-ЗЭ. ".с!.

потерь энергии длл сэдьпсгз числа кс?.:бннапдХ аоя-'дгззш. гзстх. з ^глпроэлзгстрскинз к показано

- что для керрегпкого списания <5уикцпл ргспрдаяевкя лефзктоз ззсззодгг» непосредственно расслитг лгать наскз"! етолглхг^ггй л у-егсм с.'е-кта спентлкл:;? 'лгнггнллцли ллхсгйня-г.гсл^аелгллхи етсл;

ееоСенлесп ллее^лагегелия меленгсв сслолпал рзсгггалал?;гй пекло" глазел: лег л: з ;.:елет;л; лес /уплглЗ снс-

те'е; П;трсспа.

3. Гйзгзгогггш мез-тг л пасет прогрел:: DYCCD, молзлирулзгил д-пз-:лис7 кс:ттоз;лл:оз;сго состава :.:лгзр::злс2 при гасскодосггсй полнел имплантации, гагяажт?

- программу DYC0D, ссневелзуз на разработанной уодз.'Л, потсрал позволяет корректно списать процесс раепуханкл тлалзни :i учесть однсврензнность и ваа:г ^вггиснлюстъ ггастекания серозных процессов при BEI;

- программу НЕ!?, шзволржтз рзеспггзть темязрзтурглю яолл з г.зиеял при гисокодозпсй коаноЗ гллгланташнх;

- пакет прогре:-! I?.IC;i лля расчета распределений ;:c;ric;i нглхлел-тации на кшжск рассчитываемом eiaro во дозо прогрв"'*а LYCeD.

4. ;;сслодовакие процессов при вносио,гсо:1с2 ::опнсй гязлсптса;:: с ш:огьэ пакета программ DYC0D показало

- важность учета процесса-каскадного перэмсп-з-зкнл, наторлЗ для систем Та-?8 к Г1-Ге описывается моделыз теплового гглла, а для Cr-Fe - сто«х<ногит&льяой тэсрлой, что снределлется схе— пенью смачиваемости ссставлкггивт. олекгнтов;

- существенное влияние" процесса преиелуззетвзнного рзспллсянл па ксмпсзЕЦкоЕЕнг состав многскс:люезнтко;! ?■'несен. Пгллзм, ослл екевгип сублнл'пнлн компонент сплава Олшп, то ripeiB'yye отлипло распыляется более лзгная :сс:.люнепта та::» что с увзеле;::™:; лсгы пропехотгг непрерывное кастленно поперлностнсго слал более тлл:еле;1 ;;с::ло;:зл::ой.

5. Разработанный пакет программ DYCOD использован для г.ослэдовг--ния ремимов облучения в технологически."1: процессах, пепользуп-лих

5,1 Исследованы репгнн ЕШ для создания катализаторов на-кзтзл-личесхой основе. Яоказало, что оптимальным р5ллн.:сы для поду-мпга Ы-хагаяшаи-орсв на титаном матрице штодом В!"! язллзт-

ся к^плантацЕЗ кодов с знерглоГ: 5 :;эЬ и дозе;; 4,5-101 с с;,Г2;

5.2 Рассштела теизоратурпие рогклх ослученая к.щульсно-пер::одг,-4SCK1S гзяанторов. Показано, что основным парачотрои, спрэ-xßjxssss "йклзратурннй pessa облучения, является средняя платность тока. Получена простыз формулы для расчета средне?, та:,гаратур:г ггаизня во время ЕКИ, которые могут быть вспользо-Е£гз; техЕолагс-'.а для оценок нагрева на квазкгшарериБгшх а капрзравннл srcwnisKcz конов со средней плотностью тока до

СО ;-::'Ус:г;

5.3 Негладок л:; р-зг^л ynps4sc-n;w обрзь^з, пзгоговленнчх ;:з err..»: Ео:сез?.г?э, ч:о для строгого соол'-д-'.ч'ш темлорзту-р:; з ;::;^'л^с::о-пер:юд:кескс.; paiz::.:: ncoCxo.v,-. э оо-рела;: со cp,v;;;-î: плоа;оо/ью .oîuj au J - 5,5 ¡.u.A/u.;"'. Ta.cci: p^:-; ка л^тлллглра "¿ЛАКА" при ■.■;;/. цлра- •

j'.pax; J - О,! ц v - СО с-1 - 0,2 гл1/с;г

V = 25 c_t;

5,-! Нсгллдзлллы ;;скяа:: дутллей

ело:-:.-.".". Cor.\j. Рлее^лгз-й кошкжрьчкэа^з и^уу:л г,лл

,... „. угдо:: i: ;глл :;рл"£ллд7ся Прг:ллл:ло

•'■тл ух: (з5рсоо*::г ьр.т;- :л:лея дс.гплс-п для кэл/чс-ыя -¡ого :л. от Ï. -^ууупшл:, что и в лаской гоо;.'еи:ги. пс^олъ-

■ : ¡: У \y¿r.z>, ога:>у оЗ^'чл.т/.я ¿глом г.,-г.

5.5 11слл~ ";лглл7 прс:зсс !Ли;оьл лрл к:',йко,.;озн;<:

».„л^л.лэлорлсул-.л^л: п Г-ЫС-U-M ->'.луу?.:с- ;;;лл

л.ллллллг С 1СГ"' iï..). Пок^ллю, что

- лл.л.лл rpx^cec pacnpacj;::;.,:-: i;/.u;n:¡v..j.o-

ллл_л: cu злз'-ылелию çcp;,:a раг.ярлд-ллл;л;л, так и

r„ï Л ; озо ;

- yiv-рида :ш пол^плпллл: стплл;: ллллсходлт по мера cor;, аюстла;; :;с:;ио;:грл:1:л: ноыез к ело^етстгла: с

тройной cs:sî3î.cj исн-О-Ге та::, что углзрод кмаэогьо связен в ccsíjiasisuii с нон

- р2сараделс;е:э углерода з î^oek описывается процзсссы каскад-еого шрсйзслзлЕпл, s роль теплою:.' даййгзкк незначительна при тс:лзра'гурах до ТО...60 °С;

5.6 П5схз50222 процесс хройфоззяза металлов на »шульсио-порко-

даОСЙЕЮ 1С-Д1ЛЗ;£Т0р£Х. ÎI0KS32E0, ЧТО КН0ГСЗСрг:.'Л0С?Ь НУЧКО ТЯ-

кqjiix попов se изменяет унимодальности шсоподоззого концентрационного профиля.

Основше результаты диссертация опубликована з следугяпх

работах:

1. Абдрашитов З.Г., Бакенов Г.П., Бугаев С.П., Ерохш Г .П., Норстаев А.Д., Колобов Ю.Р., Криков В.А., Куракгз И.Б.» Лигачев А.Е., Несмелов А.З.» Савченко А.О., Савостиков В.Н., Сипайдо У.Г., Чесноков. С.М. Иглиантацяя ионов з поверхность металлов я сплавов.- Тсмск, 1935, 25 е.- (Препринт Томского научного центра СО РАН, M 40)

2. Абдрашитов В.Г., Раков В.В., Турчгнсвскна И.Ю. Ваз'хгзосгъ получения имплантированных слоев больсой толгда // Писька з НТФ, 1937, т.13, внп.21, с.1303-1305.

3. Абдрашитов В.Г., Рнзов В.В., Турчановсжй И.Ю. Моделирование внсскодозной ионной имплантации.- Тсмск, 1937, 17 с.-

(Препринт Томского научного центра СО РАН', J5 25)

4. Абдрашитов В.Г., Рннов В.З. Оптимальные psmsi гктпвгцт поверхности методом ионной зкплгятацпа // Поверхность. 'дедка, химия, механика, 1939, У» 7, с. 148-150.

5. Абдрашитов В.Р., Рагов В.В., Савинкова C.B. Пространственное распределение шшнтззровенных ионов в кристаллам- Touczî» 1939, 13 е.- (Препринт Томского научного центра СО РАН, Il SI )

6. Абдрашитов В.Г., Рш:ов В.В. Модель расчета впеокодезовой ионной имплантации в металлу // Физика и жш обраб. материалов, 19S0, .1 6, с.14-18.

7. Абдрашитов В.Г.-, Рыжов В.З. Басокодоздвая иошш ггзкавзэцю поверхностей слогкой форма // &злха и хнкйя обраб. материалов, 1990, .'5 6, с. 19-21.

3. Абдрашитов В.Г.Ршпоз З.В. Модедяровашга дкшггпяа состава мишени при внсскодозной конвой йшлантацкя.- То-дск, 1920, J6 с.~ (Препринт Томского научного центра СО РАН, .'5 47)

9. Абдрашитов В.Г., Раков В.В., Турчановский И.й. Расчет температурных полей при внсскодозной конной имплапташа:.- Томск, 1991, 16 с.-(Препринт Томского научного центра СО РАН, Л 18)

10. Абдрашитов В.Г., Рйгов В.В. Аппроксимация распределений ион-• ной адлантащш фзтшщаа систеда Пирсона.- Томск, 1991,

49 с.-(Пропрг2? '¿окоиого цаучкого цзнтра СО РАН, К 30)

11. Абдрсгзлоз В,Р., PiEOB B.B., Сергеев В.П., Яновский В.П. Ис-сдедовааю то:.азратурного реагла мартенсзшшх сталей при вы-сокодозоьоа ионной Елллантацли // Физика li хиьзш обраб. кате' риалов, 1SS2, S 4, с.22-2,7.

12. Абдредггов В.Г., Phsob B.B. Аппргксккааяя распределений ионной сдхлаятацпи Функиисд; система Пирсона // Известия РАН, . Сор. (¿аз., 1932, т.Бб, В 6, c.G-11.

13. Дбдрсттоа В.Г., Рыжов В.В. ?.:одзляровапио кдкаатгшк ионов штодсп teirra-Kajuio.- Томок, 1992, 45 с.-(Црзпршп? Тсиского. научного центра СО РАН, £ 14) . .

14. Абдра^лов В.Г., Бохорт A.S., Гсдош:о С.А., Диденко А.К., Козлов О.В., Коротсзв А.Д., Оке E.Ü., Савченко А.О., Тшзн-, цзв А.К., Uspa>cii А.П., Ез1Ш П.К'.. Последовательность фор-гдфоваддя стр>1<турпо-фазовцх состояний б поверхностна и прдповордностннх слоях молибдена при шшшнташш ионов углерода, кода, нолдбдана п евница // Поверхность. Слзпка, хи-IZ'JI, цэгавяка, 1593, ü 5, с.1.41-153.

15. Абдрадпгоз В.Г., Рыков В.В. Моде лцфозшпэ "распределена! ионной клиштацпз катодом Монте-Карло /7 сазика и химия обраб. !зтор~аг.оз» 1S93, й 2, с.22-29. .

16. Абдрсддгоз В.Г., йдглв 'В.В., Стародуюв В.В. Расчет углового рзспрздалоная ионов при многократном рассеянии // Кзв. вузов Сер. Сакка, 19ЭЗ, й 8, с. 103-107.

17. Дбдргсагол Е.Г'., Рш:;ов В.В. Расчет тохггературы клпзни при

- псшс2 ггалднтдщд: // Поверхность. &5зкка, химия, механика, IS33, S S, C.iG5-tG9. _ ■ '