Модификация приповерхностных слоев Si, GaN и α-C:H облучением ионами PFn средних энергий

Карабешкин, Константин Валерьевич

Модификация приповерхностных слоев Si, GaN и α-C:H облучением ионами PFn средних энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Карабешкин, Константин Валерьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Модификация приповерхностных слоев Si, GaN и α-C:H облучением ионами PFn средних энергий»

Автореферат диссертации на тему "Модификация приповерхностных слоев Si, GaN и α-C:H облучением ионами PFn средних энергий"

На правах рукописи

КАРАБЕШКИН Константин Валерьевич

МОДИФИКАЦИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ 51, ОаЫ и а-С:Н ОБЛУЧЕНИЕМ ИОНАМИ РР„ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

Специальности: 01.04.04 - физическая электроника 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

16 МАЙ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005058325

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Титов Андрей Иванович

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Карасев Платон Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Научно исследовательского института ядерной физики МГУ им. М. В. Ломоносова Похил Григорий Павлович

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН Соболев Николай Алексеевич

Ведущая организация:

«Научно-исследовательский физико-технический институт» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им.Н.И. Лобачевского»

Защита состоится 23 мая 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.01 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29, корп.4, ауд. 305

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан /У _2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.01

доктор физико-математических наук, профессор

I. Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

В последние десятилетия ионная имплантация является неотъемлемой частью практически любого микроэлектронного производства. Столь широкое распространение эта технология получила благодаря своим преимуществам по сравнению с другими способами введения легирующей примеси. Перспективным является использование ионной модификации материалов для наноэлектроники.

Хорошо известно, что бомбардировка ускоренными ионами неизбежно ведет к образованию радиационных дефектов. Для большинства практических применений этот эффект является существенным недостатком. Однако, в ряде случаев оказывается удобно модифицировать свойства твердого тела контролируемым введением радиационных дефектов.

Процессы дефектообразования в различных материалах при ионном внедрении интенсивно исследуются в течение многих лет. Наиболее детально механизмы дефектообразования изучены в кремнии при облучении атомарными ионами. Однако, в последнее время все больший интерес проявляется к внедрению молекулярных и кластерных ионов. Подобные ионы удобны для создания сверхмелких р-п-переходов, модификации и анализа приповерхностных слоев, поэтому исследования радиационного повреждения при имплантации молекулярных/кластерных ионов весьма актуальны.

При внедрении молекулярных/кластерных ионов наблюдается так называемый молекулярный эффект (МЭ), суть которого состоит в том, что эффективность ряда явлений в расчете на один упавший атом может существенно отличаться при облучении в эквивалентных условиях атомарными и молекулярными ионами. МЭ может возникать, в частности, и в накоплении структурных нарушений. Это связано с тем, что при внедрении молекулярных ионов плотность каскадов столкновений повышается вследствие перекрытия каскадов, создаваемых компонентами молекулы. Действительно, плотность каскадов столкновений является одним из основных параметров ионной бомбардировки, влияющим на характер накопления дефектов в целом, и, как следствие, определяющим механизм МЭ. На момент начала работы над диссертацией МЭ в накоплении дефектов в кремнии был изучен лишь для отдельных условий имплантации, т.е. для конкретных значений энергий, плотностей потоков ионов, температур мишени и т.д. В то время как изменение этих параметров может существенно изменять характер накопления структурных нарушений.

Изменение структуры приповерхностных слоев твердых тел и распыление при ионной бомбардировке может приводить к изменению топографии поверхности, а в некоторых случаях и к свеллингу (распуханию) модифицированного слоя. Эти эффекты практически отсутствуют в кремнии, но существенны в перспективном для опто- и СВЧ-электроники, а также электроники больших мощностей материале - нитриде галлия. Однако, на момент начала данной работы данные по изучению данного эффекта при облучении ваЫ молекулярными/кластерными ионами отсутствовали.

механические напряжения (ВМН), твердость, коэффициент трения и т.д. Этот эффект может быть интересен для тонких пленок для контроля остаточных напряжений. Примером таких пленок являются тонкие пленки алмазоподобного углерода (а-С:Н, ПЬС). ВМН ограничивают применение данного материала, поэтому управление напряжениями является актуальной на сегодняшний день задачей. Известных из литературы работ по влиянию ионной бомбардировки на ВМН в ВЬС пленках очень мало. При этом вообще отсутствуют данные по облучению молекулярными ионами. Сказанное делает эту область исследований весьма привлекательной.

Цели и задачи работы

• Изучение закономерностей накопления структурных нарушений и эффективности молекулярного эффекта при облучении кремния молекулярными ионами в широком диапазоне энергий

• Исследование изменения топографии поверхности и толщины модифицируемых слоев нитрида галлия под действием бомбардировки молекулярными и атомарными ионами

• Изучение влияния ионного облучения, в том числе и молекулярными ионами, на внутренние механические напряжения и другие свойства тонких алмазоподобных углеродных пленок.

Научная новизна диссертационной работы

Получен значительный объем экспериментальных данных по накоплению структурных нарушений в кремнии при облучении молекулярными ионами различных энергий. Определен характер накопления устойчивых дефектов для различных энергий ионов. Экспериментально обнаружено, что зависимость эффективности интегрального МЭ в кремнии от энергии является монотонно спадающей функцией в диапазоне энергий 0.6-3.2 кэВ/а.е.м. Рассмотрены механизмы, ответственные за подобное поведение МЭ.

Впервые обнаружен молекулярный эффект в развитии топографии поверхности нитрида галлия и ее сдвиге при облучении молекулярными ионами. Установлено, что увеличение плотности каскадов столкновений при переходе от облучения атомарными ионами Р+ к облучению молекулярными ионами РРг* и Р?4+ приводит к существенному росту шероховатости поверхности и переходу от свеллинга к уменьшению толщины ОаИ за счет усиления ионного распыления поверхности. Показано, что каскадные эффекты в росте шероховатости поверхности на начальном этапе облучения определяются зависимостью скорости роста поверхностных аморфных слоев от плотности смещений в каскадах. Обнаружено «аномальное» поведение измеряемых параметров при облучении ионами Р+. Разработана качественная модель, объясняющая эти эффекты.

Исследована зависимость внутренних механических напряжений в алмазоподобных пленках от дозы ионов при их облучении различными ионами, в том числе и молекулярными. Обнаружено, что кривая изменения внутренних механических напряжений является универсальной в зависимости от количества смещений, вводимых при ионной бомбардировке.

Установлен значительный свеллинг и структурные изменения в алмазоподобных пленках под действием облучения.

Научная н практическая значимость работы

Результаты, полученные в работе могут найти применение при использовании ионных пучков для модификации свойств различных материалов. В частности, для предсказания уровня повреждения кремния при имплантации молекулярных ионов различных энергий. Учет изменения топографии поверхности и изменение толщины облученных слоев необходим при изготовлении приборов на основе нитрида галлия. Наконец, ионная имплантация является эффективным средством изменения внутренних механических напряжений, возникающих в тонких алмазоподобных пленках. Полученная универсальная зависимость позволяет предсказывать изменение напряжений для различных условий ионного облучения.

В целом, полученные экспериментальные данные и выводы из материалов диссертации являются основой для дальнейшего развития теоретических представлений о механизмах модификации приповерхностных слоев облучением молекулярными ионами средних энергий.

Методологической основой исследования являются подходы, развитые в многочисленных научных трудах по вопросам взаимодействия ускоренных ионов с веществом. В качестве экспериментальных методов использовались такие хорошо разработанные методики, как ионная имплантация, методы спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния, атомно-силовая микроскопия и интерферометрия в видимом свете. Теоретические методы, используемые в работе, основаны на системном подходе к проведению исследований и анализу получаемых результатов.

Достоверность результатов и выводов работы обусловлена тщательной разработкой методики ионного облучения и анализа изменений свойств облученных объектов, использованием современных методов измерений параметров модифицированных слоев, точностью и аккуратность проведения экспериментов, а также соответствием выводов современным теоретическим представлениям. Результаты не противоречат литературным данным в тех случаях, когда сопоставление возможно.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования распределений структурных нарушений в кремнии по глубине. Облучение в! ионами РИ4+ приводит к сильному молекулярному эффекту, эффективность которого с ростом энергии спадает для интегрального числа структурных нарушений.

2. Оценка глубин проявления молекулярного эффекта в кремнии в результате формирования нелинейных энергетических пиков в каскадах смещений и нелинейного образования кластеров устойчивых нарушений.

3. Увеличение плотности каскадов столкновений бомбардирующих ионов при прочих равных условиях приводит к росту шероховатости поверхности нитрида галлия, который коррелирует с образованием поверхностного аморфного слоя.

4. Изменения толщины модифицируемого ионами приповерхностного слоя GaN существенно зависит от плотности каскадов смещений. В результате конкуренции свеллинга и ионного распыления при облучении GaN атомарными ионами преобладает его распухание, а при переходе к молекулярным ионам - распыление.

5. Зависимость изменения внутренних механических напряжений в алмазоподобных пленках от дозы облучения, выраженной в количестве смещений, вводимых в области максимума упругих потерь энергии при имплантации, носит универсальный характер, то есть не зависит от типа ионов.

6. Рост плотности каскадов смещений в DLC пленках приводит к изменению кинетики свеллинга и изменению абсолютных значений соотношения sp3 и sp2 связей.

Публикации и апробация работы

Основные результаты, содержащиеся в работе, докладывались и обсуждались на 2 Всероссийских и 16 Международных конференциях:

XXXIX, XL, XLI Международные конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 2009, 2010, 2011), конференции европейского материаловед-ческого общества E-MRS (Strasbourg, France 2009, 2011, 2012), XIX, XX Международные конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород 2009, 2011), 15th International conference on Radiation Effects in Insulators (Padova, Italy 2009), 18lh International Conference on Ion Implantation Technology (Kyoto, Japan 2010), 24th, 25lh International Conference on Atomic Collisions in Solids (Krakow, Poland 2010, Kyoto, Japan, 2012), VII Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» (С.Петербург 2010), 11th European Vacuum Conference and 6,h European Topical Conference on Hard Coatings (Salamanca, Spain 2010), 5lh International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials (Reims, France 2010), III, IV Всероссийские конференции «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород 2010, Новосибирск 2012), IX Международная конференция и VII Школа молодых ученых «Кремний 2012» (Санкт-Петербург 2012).

Основное содержание работы отражено в 33 печатных работах, в том числе в 6 статьях в журналах из списка ВАК и 3 статьях в трудах конференций. Список основных опубликованных работ представлен в конце автореферата.

Личный вклад автора

Основные научные результаты работы получены автором лично. Экспериментальные данные получены как лично самим автором, так и его коллегами при личном участии автора в их планировании. Обработка и анализ экспериментальных данных выполнялся самим автором, а также и его коллегами при активном участии автора во всех обсуждениях. Теоретические обоснования разрабатывались совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 131 страниц, 45 рисунков, 3 таблицы. Список литературы включает 124 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цели и задачи, обсуждена научная и практическая значимость полученных результатов, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературы по современному состоянию затрагиваемых в диссертации проблем. В ней рассмотрены процессы дефектообразования и изменения топографии поверхности при облучении кремния и нитрида галлия атомарными и молекулярными ионами. В конце главы обсуждается влияние ионного облучения на внутренние механические напряжения (ВМН) тонких алмазоподобных (ПЕС) пленок.

Хорошо известно, что бомбардировка ускоренными ионами твердого тела ведет к образованию радиационных дефектов. Характер накопления структурных нарушений зависит в частности и от плотности каскадов столкновений. Так, при ионной бомбардировке кремния легкими ионами налетающий ион генерирует неплотные каскады, состоящие из точечных дефектов. Далее, в результате диффузии эти дефекты связываются в устойчивые комплексы или рекомбинируют. Такие процессы носят название вторичного дефектообразования и/или динамического отжига дефектов и проходят существенно нелинейным образом, т.е. количество устойчивых дефектов нелинейно зависит от плотности первичных смещений. В условиях неплотных каскадов столкновений плотность потока ионов значительно влияет на скорость образования устойчивых дефектов.

С увеличением плотности каскадов столкновений возможно возникновение нелинейных энергетических пиков, если плотность смещений оказывается выше пороговой. При этом эффективность генерации точечных дефектов в каскадах смещенных атомов и/или связанных первичных дефектов возрастает по сравнению с предсказаниями в приближении бинар-ности столкновений. Как следствие возрастает эффективность радиационного воздействия на мишень. Плотные каскады смещений могут возникать при имплантации тяжелых ионов или при облучении молекулярными ионами. В этом случае плотность потока ионов не влияет на скорость накопления устойчивых дефектов.

Накопление структурных нарушений при облучении кремния небольшими молекулярными/кластерными ионами определяется характером взаимодействия между каскадами столкновений, формируемыми атомарными компонентами. На начальном этапе пробега таких ионов, каскады атомарных компонентов перекрываются, и плотность объединенного каскада увеличивается. При этом наблюдается молекулярный эффект (МЭ) в накоплении структурных нарушений. Если ил - концентрация дефектов, созданная молекулярным ионом Хк+, состоящим из к атомов типа X, а ги -- аналогичная величина для атомарных ионов X*, то эффективность МЭ у может быть выражена следующим соотношением:

г = С)

к ■ и,

Если у = 1, то МЭ отсутствует, при у » 1 говорят о сильном МЭ.

Природа МЭ различна при облучении молекулярными ионами из тяжелых и легких компонентов и определяется плотностью каскада в области перекрытия. При облучении молекулярными ионами из тяжелых компонентов МЭ объясняется в рамках модели нелинейных энергетических пиков, из легких - процессами нелинейного вторичного дефектообразования.

Литературных данных по изучению МЭ в кремнии достаточно много. Однако, в большинстве работ не выполнялись условия облучения, позволяющие корректно сравнивать уровни разупорядочения, создаваемые молекулярными и атомарными ионами [1, 2]. Суть этих условий состоит в том, чтобы всё различие при облучении было только в том, что атомарные ионы внедряются в случайных, далеко отстоящих друг от друга местах поверхности, а компоненты молекулярного иона пересекают поверхность в одной точке. Для молекулярных ионов, состоящих из атомов одного типа, это условие сводиться к равенству энергии, а также доз и плотности потока в расчете на один упавший атом. Для ионов из разных компонентов, таких как PF„+, для соблюдения корректных условий необходимо, чтобы во время облучения одинаковыми оставались среднее полное число смещений за все время облучения, скорости генерации первичных точечных дефектов в приближении парных столкновений и скоростей атомарных и молекулярных ионов. Таким образом, энергия на а.е.м., нормированная доза в единицах dpa (displacement per atom, количество смещений, которое в среднем испытает каждый атом мишени при имплантации реальной дозы ионов), а также нормированная плотность потока ионов в единицах dpa/c должны оставаться постоянными.

Кроме того, на момент начала работы отсутствовали экспериментальные данные по систематическому изучению МЭ в Si в зависимости от энергии ионов, в то время как этот параметр бомбардировки может существенно менять плотность каскадов столкновений, а следовательно и механизмы, обуславливающие МЭ.

Изменение структуры приповерхностных слоев твердых тел и распыление при ионной бомбардировке могут приводить к изменению топографии поверхности, а в некоторых случаях и к свеллингу (распуханию) модифицируемого слоя. Появление этих эффектов при ионном облучении нитрида галлия атомарными ионами обнаружено около 10 лет назад. Возникновение поверхностного рельефа и свеллинга начинается после достижения определенной пороговой дозы. Такое поведение связывают с формированием нанопузырьков, наполненных газообразным азотом при высоком давлении. Образование аморфного слоя является необходимым условием формирования подобных пузырьков.

В то же время, литературные данные по исследованию влияния облучения молекулярными/кластерными ионами на топографию и сдвиг поверхности нитрида галлия отсутствовали. Исключение составляют только случаи бомбардировки большими кластерами, состоящими из тысяч атомов инертных газов. Однако, закономерности и механизмы формирования рельефа на поверхности в этом случае принципиально отличаются от механизмов при облучении небольшими молекулярными ионами. Таким образом, МЭ в изменении топографии поверхности является привлекательной областью для исследования.

Еще одним эффектом, сопровождающим введение дефектов в структуру вещества, является возникновение и/или изменение внутренних механических напряжений (ВМН), по-

скольку любой дефект изменяет структуру. Следовательно, ионная имплантация тонких пленок после осаждения, способна вызывать изменение напряжений за счет изменений в микроструктуре. Примером таких материалов являются пленки алмазоподобного углерода (а-С:Н, DLC). При их получении практически неизбежно возникают высокие ВМН. Чрезмерные напряжения в DLC-пленках могут вызывать необратимые механические повреждения, такие как отслоение пленки. При меньших значениях ВМН могут влиять на физические свойства пленки. Как результат, контроль ВМН в пленках вызывает большой интерес.

Нам известно несколько работ по изучению влияния ионного облучения DLC пленок на ВМН. При ионной бомбардировке изначально сжимающие напряжения уменьшаются, причем тем быстрее, чем больше масса иона. При дальнейшем росте дозы происходит плавный переход пленки из сжатого в растянутое состояние, и далее насыщение растягивающих ВМН. Данные по внедрению молекулярных ионов в DLC пленки полностью отсутствовали, хотя такой эксперимент мог бы прояснить зависимость ВМН от плотности каскадов столкновений.

Во второй главе рассмотрены основы экспериментальных методов, используемых в работе, а также описаны экспериментальные установки и условия проведения экспериментов.

Облучение всех образцов производилось на ускорителе ионов фирмы "High Voltage Engineering Europe", позволяющем позволяет получать ионы с энергией в диапазоне 10-500 кэВ, а также проводить исследования методом спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния быстрых ионов (RBS), который использовался для измерения уровня повреждения кристаллической решетки кремния при его применении в режиме каналирования (RBS/C).

Изменение топографии поверхности и свеллинг образцов под действием ионного облучения измерялись с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) фирмы Pacific Nanotechnology в бесконтактном режиме. Для определения изменения толщины облученного слоя мы измеряли высоту ступеньки между облученной и необлученной областями поверхности.

Расчет ВМН в DLC пленках, осажденных на кремниевых положках размерами 5Х30 мм, осуществлялся по радиусу кривизны системы пленка-подложка с помощью формулы Стони [3]. Измерение радиуса кривизны проводилось с помощью регистрации картин интерференции в видимом свете, получаемым при отражении световых волн от изогнутого образца и плоского эталона, на интерферометре ИТ-70.

Третья глава посвящена изучению МЭ в кремнии при облучении ионами Р+, PF4+ в достаточно широком диапазоне энергий.

Кремний (100), легированный бором, облучался при комнатной температуре ионами Р' и PF4+. Для корректного сравнения уровней разупорядочения, создаваемых атомарными и молекулярными ионами соблюдались корректные условия облучения [1,2].

Имплантация проводилась с энергиями Е, равными 0.6; 1.3; 3.2 кэВ/а.е.м. На рисунке 1 приведены профили распределения дефектов для разных энергий при одинаковой небольшой дозе Фара = 0.29 dpa. Распределение дефектов для энергии 2.1 кэВ/а.е.м. взято из данных работы [2]. На рисунке также представлены расчётные (с помощью программы TRIM [4])

функции распределения смещений по глубине DPA|0C. Они показывают относительную концентрацию вакансий, созданных на единицу глубины после внедрения той же дозы ионов в приближении модели бинарных столкновений. Количество смещений в максимуме распределения вакансий для всех случаев одинаково и соответствует значению введенной ранее дозы в единицах dpa.

Как видно из рисунка 1, распределения разупорядочения при облучении Si ионами Р+ и PF4 одинаковыми дозами очень сильно различаются. В случае облучения атомарными ионами Р+ наблюдается бимодальное распределение дефектов. Помимо объемного максимума дефектов, лежащего на глубине максимума упругих потерь энергии (максимум функции DPAioc), имеет место поверхностный пик дефектов, который соответствует поверхностному аморфному слою. Исключение составляет случай облучения с энергией 0.6 кэВ/а.е.м., где распределение является практически одномодовым. Однако, разрешение используемого экспериментального метода по глубине у поверхности составляло ~ 8 нм и детали распределений, меньшие этой величины, не должны быть видны.

Иная картина накопления дефектов наблюдается при облучении кластерными ионами PF4+. При малых дозах в приповерхностном слое обнаруживается существенное увеличение количества дефектов по сравнению со случаем облучения атомарными ионами, т.е. имеет место МЭ. Можно полагать, что это аморфный слой, а величина концентрации дефектов не доходит до единицы только из-за ограниченного разрешения использованного для измерений

Рисунок 1. Профили распределения по глубине относительной концентрации дефектов при имплантации в кремний ионов Р и PF4 различных энергий. Нормированная доза: Ффа = 0.29 dpa. Сплошной линией представлены распределения созданных вакансий, рассчитанные в приближении бинарности столкновений с помощью TRIM [4].

Рассмотрим механизмы МЭ в Б!. За МЭ ответственны процессы, происходящие в области перекрытия каскадов столкновений компонентов иона РИ4 . При таком перекрытии происходит увеличение плотности каскадов смещений, что в свою очередь приводит к возможности возникновения нелинейных энергетических пиков, т.е., с одной стороны к усиленной генерации первичных дефектов, с другой, к спонтанному переходу разупорядоченного микрообъёма каскада в аморфное состояние при достижении в нём критической концентрации смещений (критической аморфизации) или расплавлению микрообъема каскада (тепловым пикам). По нашим оценкам вероятность возникновения тепловых пиков в нашем случае крайне мала. Поэтому мы рассматривали два других внутрикаскадных механизма.

Помимо нелинейных процессов в каскадах смещений за МЭ могут быть ответственны процессы нелинейного вторичного дефектообразования и динамического отжига дефектов. Это механизм должен быть эффективен пока каскады компонентов молекулярного иона перекрываются и далее находятся достаточно близко друг от друга для эффективного связывания дефектов из различных каскадов в результате диффузии.

Мы выполнили оценку того, до какой глубины Хс будет происходить перекрытие каскадов смещений и до какой глубины А'5- может работать механизм нелинейного вторичного дефектообразования. На рисунке 1 Хс представлена сплошной вертикальной линией, -штриховой. Видно, что полученные результаты удовлетворительно описывают области, где экспериментально наблюдается МЭ.

Далее нами проведен расчет эффективности МЭ, обусловленного спонтанным переходом разупорядоченного микрообъёма каскада в аморфное состояние при достижении в нём критической концентрации смещений, результаты которого представлены на рисунке 2. Видно, что эффективность МЭ максимальна в приповерхностной области и быстро спадает с ростом глубины. Для всех энергий протяженность области, где имеет место сильная нелинейность образования дефектов, отличается не очень сильно и составляет ~ 20 нм, что удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными. Таким образом, наша методика также является вполне пригодной для качественного определения области, где каскады компонентов молекулярного иона перекрываются. В то же время известно, что процессы этого типа не являются единственной причиной экспериментально наблюдаемого МЭ в 81.

20 30 40 Глубина, нм

Рисунок 2. Расчетные зависимости для разных энергий эффективности МЭ, обусловленного нелинейными энергетическими пиками в каскадах столкновений, при облучении кремния атомарными ионами Р+ и молекулярными ионами РР4+. Значения энергии в единицах кэВ/а.е.м. представлены на графике.

На основании анализа кинетики нарастания поверхностных аморфных слоев (АС) мы выполнили оценку усиления генерации первичных смещений в приповерхностной области при внедрении ионов PF4+ по сравнению с атомарными ионами Р+. Дело в том, что скорость роста АС пропорциональна количеству точечных дефектов, мигрирующих к поверхности с расстояния диффузионной длины от межфазной границы [5]. Это значит, что, измеряя наклоны зависимостей толщины АС от дозы, можно определить усиление генерации первичных дефектов в каскадах столкновений ионов PF4+ и, таким образом, определить эффективность МЭ. Полученное таким образом среднее значение усиления первичного дефектообра-зования в использованном диапазоне энергий ~ 5, что означает, что при равной приведенной дозе ионы PF4+ генерируют в приповерхностном слое толщиной 15-20 нм в 5 раз больше точечных дефектов, чем ионы Р+. Достоинством наших результатов является то, что впервые удалось получить количественные экспериментальные данные.

Конечно, определенный вклад в эту величину вносят и процессы нелинейного вторичного дефектообразования и механизм пороговой аморфизации, но, поскольку, измерения проводились при малых дозах влияние этих процессов было сведено к минимуму.

Таким образом, при имплантации ионов PF4+ достаточно высоких энергий одним из основных факторов, определяющих МЭ, является усиление первичного дефектообразования в приповерхностной области. При уменьшении энергии плотность каскадов столкновений увеличивается и все большую роль начинают играть как процессы нелинейного вторичного дефектообразования, так и процессы спонтанной аморфизации.

В четвертой главе описываются результаты экспериментов по изучению влияния ионного облучения молекулярными ионами на топографию поверхности и свеллинг нитрида галлия.

Эпитаксиальные пленки (0001) нитрида галлия со структурой вюрцита, выращенные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе методом осаждения из газовой фазы с использованием металлоргани-ческих соединений на подложке из сапфира. Облучение проводилось ионами F+, Р+, PF2' и PF/ с энергией 1.3 кэВ/а.е.м. при комнатной температуре в широком диапазоне доз. Внедрение ионов происходило под углом 7 по отношению к направлению [0001] для подавления эффекта каналирования. Для всех использованных в этой работе ионов корректные условия облучения были выполнены. Поток для всех ионов составлял 3.6 10 3 dpa/c.

На рисунке 3, а показана зависимость среднеквадратичной шероховатости поверхности нитрида галлия от дозы. Видно, что шероховатость поверхности GaN увеличивается как с увеличением дозы ионного облучения, так и с ростом массы ионов. При этом, например, шероховатость образцов, облученных ионами PF4+ с дозой 30 dpa, более чем на порядок превышает соответствующую величину для образцов, облученных той же дозой ионов F+. Из рисунка 3, а также следует, что развитие шероховатости начинается с пороговой дозы около 15

Наряду с увеличением шероховатости ионная бомбардировка вызывает также формирование ступеньки между облученной и необлученной частями образца. На рисунке 3, б представлены данные о высоте этой ступени. Образование ступеньки начинается с пороговой дозы, однако, эта доза значительно меньше, чем доза необходимая для развития поверхностной шероховатости, как следует из сравнения рисунков 3, а и 3, б.

При имплантации ионов Р+ наблюдается сильный свеллинг облучаемой области, что соответствует известным из литературы данным для ряда других атомарных ионов. Облучение ионами РР,»+ вызывает, наоборот, уменьшение толщины модифицируемого ионами слоя. При использовании ионов РРг+ при малых дозах наблюдается небольшое распухание образца, а дальнейшее увеличение дозы ионов, как и для ионов Р?4+, вызывает уменьшение толщины облученного слоя, хотя абсолютные значения высоты ступеньки оказываются существенно ниже.

Изменение топографии поверхности и свеллинг связаны, как упоминалось выше, с образованием нанопузырьков, наполненных газообразным азотом при высоком давлении, возникающих в результате декомпозиции нитрида галлия. Формирование таких пузырьков возможно только в АС. Распределение устойчивых дефектов по глубине в ОаЫ, как и в случае облучения кремния легкими ионами, бимодально, т.е. на поверхности всегда присутствует АС. Таким образом, естественно, что образующиеся в приповерхностных слоях газовые пузырьки должны приводить к формированию соответствующего нанорельефа на поверхности. Увеличение шероховатости с увеличением плотности каскадов смещений при переходе к молекулярным ионам становиться понятным, если учесть что скорость роста поверхностного АС возрастает с увеличением плотности каскадов смещений. Чем толще АС, тем большие пузыри возникают, что приводит к увеличению поверхностного рельефа. Действительно, при анализе зависимости шероховатости от толщины поверхностного АС мы обнаружили, что до толщин АС ~ 20 нм шероховатость не зависит от типа ионов, что подтверждает изложенные качественные соображения. Отметим практическую значимость полученного результата для предсказания величины поверхностной шероховатости в зависимости от толщины поверхностного АС.

Рисунок 3. Зависимости среднеквадратичной шероховатости поверхности нитрида галлия (а) и высоты ступеньки между облученной и необлученной областями (б) от дозы облучения различными ионами Р (/), Р (2), РР: (.}), РР4 (4) с энергией 1.3 кэВ/а.е.м. при комнатной температуре

Наряду со свеллингом нитрида галлия должно происходить распыление мишени, особенно эффективное в случае облучения молекулярными ионами. Таким образом, изменение толщины модифицируемого слоя есть результат действия двух конкурирующих процессов. Первый - это свеллинг слоя, связанный с формированием нанопузырьков внутри аморфных слоев, созданных ионным облучением, в результате чего модифицированный слой увеличивает свою толщину. Второй - распыление поверхности бомбардирующими ионами, то есть уменьшение толщины слоя.

Из рисунка 3, 6 видно, что процесс распыления в случае облучения ионами PF4 преобладает над процессом распухания, а для ионов Р+ имеет место обратная ситуация. При бомбардировке ионами PF2+ оба этих процесса практически уравновешивают друг друга.

Рассмотрим причины увеличения коэффициента распыления. Во-первых, при переходе в режим формирования нелинейных каскадов смещений коэффициент распыления может существенно возрастать. Во-вторых, коэффициент распыления увеличивается с ростом шероховатости поверхности. Наконец, чем больше декомпозиция материала, тем, очевидно, легче его распылить. Все эти факторы усиливаются при переходе от ионов Р+ к ионам PF2 и далее к PF4+. Таким образом, влияние типа иона на величину и знак ступеньки в целом физически понятен.

Из этой последовательности «выпадает» результат для имплантации ионов фтора при больших дозах (более 30 dpa) - соответствующие значения шероховатости лежат выше значений для Р1" и PF2+. Однако, данный результат легко объясним, поскольку в этом случае внутрь мишени вводится наибольшее количество атомов фтора (по сравнению с имплантацией ионов PF2+ и PF4+), которые, диффундируя к границам нанополостей, добавляют давление газа в пузырьках, стимулируя увеличение их размеров. Например, при дозе ионов F+ 30 dpa усредненная по поперечному сечению концентрация имплантированных атомов фтора в максимуме их распределения имеет весьма высокое значение - около 7-10 2|см~3.

Причина такого поведения значений величины ступеньки на границе облученной и необ-лученной областей для больших доз ионов F+ также физически понятна из вышеприведенных рассуждений о природе шероховатости для данного иона при больших дозах - это увеличение размеров нанопузырьков из-за распирания их газообразным фтором и, соответственно, усиление свеллинга.

Пятая глава посвящена изучению влияния ионного облучения на внутренние механические напряжения (ВМН) в тонких алмазоподобных (DLC, а-С:11) пленках.

DLC пленки выращивались методом плазмо-химического газофазного осаждения в ФТИ им. Иоффе на подложках кремния размерами 5x30 мм. Полученные пленки различной толщины с различными значениями сжимающих напряжений облучались ионами Р+, PF4+, In1". В первой серии экспериментов энергии ионов выбирались таким образом, чтобы профиль распределения радиационных нарушений приходился на плёнку и не затрагивал подложку.

На рисунке 4, а представлены зависимости значений упругих напряжений а от нормированной дозы облучения. Как видно из рисунка изначально сжимающие напряжения спадают с ростом дозы. При дальнейшем увеличении нормированной дозы происходит переход ВМН

в растягивающие и насыщение на некотором уровне, что соответствует литературным данным.

Как показал наш анализ, зависимость а(ФаРа) удобно представлять в виде (а(Фара) - оо), где со -значение BMI 1 до начала облучения. Действительно, рисунок 4, б демонстрирует, что все экспериментальные данные в пределах ошибки измерений описываются универсальной кривой. На начальном этапе, до дозы ~ 0.2 dpa, эта зависимость удовлетворительно аппроксимируется прямой с наклоном (8.7±1.3) ГПэ/dpa, а при Фара > 0.5 dpa практически выходит на насыщение.

Отметим важность данного результата, поскольку он позволяет предсказывать дозу облучения любыми ионами, требуемую для заданного изменения ВМН относительно начального уровня Оо.

Для определения влияния плотности каскадов столкновений на ВМН мы рассчитали зависимость этого параметра каскадов от глубины для случая внедрения ионов Р+ и PF4+ с энергией 3.2 кэВ/а.е.м., которая использовалась при облучении. Результаты показывают, что область, где каскады компонентов перекрываются, и наблюдается увеличение плотности каскадов смещений при облучении ионами PF4+, простирается до глубин 12-15 нм. В описанных выше экспериментах толщина пленки составляла 120 нм, поэтому возможные нелинейные эффекты в каскадах столкновений молекулярного иона слабо повлияли на такую интегральную характеристику пленки как величина ВМН.

Таким образом, для определения влияния плотности каскада смещений на величину остаточных механических напряжений в пленках необходимо, чтобы область перекрытия каскадов столкновений занимала значительную часть образца. Для этого были изготовлены пленки толщиной 30 нм, которые облучались ионами Р+ и PF4+ с энергией 3.2 кэВ/а.е.м. При этом область перекрытия каскадов столкновений простиралась на половину толщины пленки.

И в этом случае, облучение приводит к снижению напряжений сжатия и их переходу к напряжениям растяжения. Полученные зависимости (с-оо), представленные на рисунке 5, а демонстрируют, что кривые для случаев облучения ионами Р' и PF4+ подобны и скорость из-

100 I

PF/ 345 кэВ Р* 120 кэВ Р4 120 кэВ Р* 200 кэВ 1п+ 350 кэВ

j_I i

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Доза, dpa

Рисунок 4. Зависимости величины внутренних механических напряжений с и изменения напряжений относительно начального уровня (а - Со) в DLC пленках от нормированной дозы

менения напряжений слабо зависит от типа ионов. Таким образом, в исследованном диапазоне плотности каскадов смещений, её влияние на внутренние напряжения оказывается ма-

лым. 2.5

2.0 1.5

5 10 D I

0.30

0.5

„ 0.25 Q. со

0.15 0.85

0.80

со

0.75

0.70 0.5 о04

=5 о.з .с

<3 0.2 0.1 0.0

б)

Очевидно, что наблюдаемые на эксперименте изменение BM1I под действием бомбардировки ионами связано с изменением микроструктуры DLC пленок, в том числе и с изменением соотношения sp2 и sp3 гибриди-зованных атомов углерода. Подобное изменение структуры пленок дополнительно изучалось методом спектроскопии рентгеновских фотоэлектронов, а также с помощью АСМ. Результаты этих экспериментов представлены на рисунке 5, б, в, г. Данные рисунка показывают, что во-первых, облучение ионами приводит к росту sp"1 гибридизованных связей, и одновременно симметричному убыванию sp2 гибридизованных связей. Во-вторых, при бомбардировке ионами наблюдается значительный свеллинг DLC пленок (до 40 % от толщины исходного образна).

Для объяснения физической природы и механизмов происходящих процессов возможно предложить следующее. При падении ускоренного иона развивается каскад смещенных атомов углерода и водорода и образуется большое число оборванных связей. Поскольку исходные плёнки сжаты, на этой стадии процесса происходит некоторый мас-соперенос к поверхности. В итоге происходит утолщение пленки, образование алмазной конфигурации, и уменьшение графитовой. Одновременно уменьшаются сжимающие напряжения. Формирующиеся тетраэдрические кластеры начинают притягиваться друг к другу. Однако, при дальнейшей бомбардировке всё более существенным становится разрушение sp3 связей, поэтому процесс модификации структуры замедляется, а затем и вообще прекращается. Более интенсивная перестройка структуры под действием ионов PF4+ объясняется тем, что при попадании молекулярного иона развивается более плотный каскад смещений и, соответственно, скорость модификации увеличивается. В заключении сформулированы основные выводы:

0.2 0.3 0.4

Доза, dpa

Рисунок 5. Зависимость изменения напряжений (ст-<7о) в алмазоподобной пленке (а), относительного увеличения её толщины (б) и изменения долей sp~ и sp3 гибридизованных связей (в, г) в плёнках от дозы ионов при облучении ионами Р+ (кружки) и PF4 (квадраты)

• Получен большой объем экспериментальных данных о трансформации распределений структурных нарушений по глубине и молекулярном эффекте при облучении кремния ионами Р+ и PF/ в широком диапазоне доз и энергий. При всех использованных энергиях в приповерхностных слоях ионы PF/ создают значительно больше дефектов, чем ионы Р+, т.е. наблюдается сильный молекулярный эффект.

• На основании оригинального алгоритма сделана оценка глубин, до которых должно происходить перекрытие каскадов столкновений компонентов иона PF4+ в кремнии, а также глубин, до которых эти каскады развиваются достаточно близко для эффективного взаимодействия дефектов из разных каскадов. Полученные данные удовлетворительно согласуются с экспериментом. Произведен расчет эффективности молекулярного эффекта, обусловленного пороговой аморфизацией.

• Из данных экспериментов впервые оценена эффективность усиления генерации первичных смещений в приповерхностном (~ 10 нм) слое Si при бомбардировке молекулярными ионами PF4+.

• Обнаружен молекулярный эффект в развитии топографии поверхности нитрида галлия и ее сдвиге при облучении молекулярными ионами: увеличение плотности каскадов столкновений при переходе от облучения атомарными ионами Р+ к облучению молекулярными ионами PF2+ и PF4+ приводит к существенному росту шероховатости поверхности и переходу от свеллинга к уменьшению толщины за счет усиления ионного распыления поверхности.

• Исследована зависимость внутренних механических напряжений в алмазоподобных пленках от дозы при их облучении различными ионами, в том числе и молекулярными. Обнаружена универсальность кривой изменения внутренних механических напряжений в зависимости от количества смещений, вводимых при ионной бомбардировке. Впервые обнаружен значительный свеллинг облучаемых образцов.

• Экспериментально показано, что в DLC пленках рост плотности каскадов смещений приводит к изменению кинетики свеллинга и изменению абсолютных значений соотношения sp3 и sp2 связей.

Цитированная литература.

1. Titov A.I. Damage accumulation in Si during N+ and N2* bombardment along random and channeling directions. / A.I. Titov, S.O. Kucheyev // Nucl. Inst, and Meth. B. - 1999. - Vol. 149,- P. 129- 135.

2. Азаров АЛО. Накопление структурных нарушений в кремнии при облучении кластерными ионами PF„f средних энергий. / A.IO. Азаров, А.И. Титов // Физика и техника полупроводников. - 2007. - Т. 41. - Вып. 1. - С. 7 - 12.

3. Stoney G.G. The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis. / Stoney G.G. // Proc. R. Soc. London, Ser. A. - 1909. - Vol. 82. - P. 172 - 175

4. Ziegler J.F. The stopping and range of ions in solids / J.F. Ziegler, J.P. Biersack, U. LittmarkOxford: Pergamon, 1985. - 321 p.

5. Титов А.И. Кинетика роста поверхностных аморфных слоев при облучении кремния легкими ионами низких энергий. / А.И. Титов, А.Ю. Азаров, B.C. Беляков // Физика и техника полупроводников. 2003. - Т.37. - Вып. 3. - С. 358 - 364 Основные публикации по теме диссертации:

1. Подсвиров O.A. Механические напряжения в алмазоподобных пленках: роль условий осаждения и ионного облучения / О.А Подсвиров., П.А. Карасев, А.Я, Виноградов, H.H. Карасёв, A.C. Смирнов, А.И. Титов, К.В. Карабешкин // Поверхность. Рентгеновские, нейтронные, синхротронные исследования. - 2010. - Вып. 3. - С. 81 - 84.

2. Podsvirov O.A. Influence of ion irradiation on internal residual stress in DLC films / O.A. Podsvirov, P.A Karaseov., A.Ya. Vinogradov, A.Yu. Azarov, K.V. Karabeshkin, N.N. Karasev, A.I. Titov, A.S. Smirnov // Nucl. Inst, and Meth. B. - 2010. - Vol. 268. - P. 3107 -3110.

3. Titov A.I. Molecular effect on surface topography of GaN bombarded with PF„ cluster ions / A.I. Titov, P.A. Karaseov, V.S. Belyakov, K.V. Karabeshkin, A.V. Arkhipov, S.O. Kucheyev, A.Yu. Azarov // Vacuum. -2012. - Vol. 86. - P. 1638 - 1641.

4. Карабешкин K.B. Влияние плотности каскадов смещений на топографию и сдвиг поверхности GaN, облучаемого атомарными и молекулярными ионами / К.В. Карабешкин, А.И. Титов, П.А. Карасев, B.C. Беляков, A.B. Архипов // Научно-технические ведомости СПБГПУ, Физико-математические науки. - 2012. - № 2 (146). - С. 55 - 61.

5. Карасев П.А. Особенности образования дефектов в кремнии при бомбардировке молекулярными ионами / П.А. Карасев, К.В. Карабешкин // Научно-технические ведомости СПБГПУ, Физико-математические науки. - (2012). -№3(153). С. 62-68.

6. Карабешкин К.В., Карасёв П.А., Титов А.И. Накопление структурных нарушений при облучении кремния ионами PF„+ различных энергий // Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47. - Вып. 2. - С.206-210.

7. Карабешкин К.В. Влияние ионного облучения на механические напряжения в алмазоподобных пленках / К.В.Карабешкин, П.А. Карасев, А.Я. Виноградов, А.Ю. Азаров, А.И. Титов, H.H. Карасев, O.A. Подсвиров, A.C. Смирнов // Труды XIX Международной Конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2009». - Звенигород, 2009. - М: МГУ, 2009. - Т. 2. - С. 226 - 229.

8. Titov A.I. Molecular effect on surface topography of GaN bombarded with PF„ cluster ions / A.I. Titov, P.A. Karaseov, V.S. Belyakov, K.V. Karabeshkin, A.V. Arkhipov, S.O. Kucheyev, A.Yu. Azarov // Труды XX Международной Конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью». - Звенигород, 2011. - М: МГУ, 2011. - Т. 2. - С. 33 - 36.

9. Карабешкин К.В. Влияние ионного облучения на механические свойства аморфных углеродных плёнок / К.В. Карабешкин, П.А. Карасев, А.Я. Виноградов, А.И. Титов, H.H. Карасев, O.A. Подсвиров, A.C. Смирнов // Труды XX Международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2011". - Звенигород, 2011. - М: МГУ, 2011.-Том И.-С. 57-60.

Подписано в печать 05.04.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10527Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Карабешкин, Константин Валерьевич, Санкт-Петербург

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

I высшего профессионального образования ^ (

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

На правах рукопис

КАРАБЕШКИН Константин Валерьевич

п 1

МОДИФИКАЦИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ' 81, ваИ и р-С:Н ОБЛУЧЕНИЕМ ИОНАМИ РРП СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

Специальности: 01.04.04 - физическая электроника 01 04 10 - физика полупроводников

! I

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

■ I

I 5

Научный руководитель: д ф.-м н , профессор Титов А1 Научный консультант- к. ф.-м. н , доцент Карасев п!'

Цр

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................16

§1.1 Общие представления о взаимодействии ускоренных ионов с твердым

телом.........................................................................................................................................16

§ 1.2 Процессы первичного и вторичного дефектообразования............................20

§ 1.3 Накопление структурных нарушений в кремнии и нитриде галлия под

действием ионного облучения.....................................................................................24

§ 1.3.1 Облучение тяжелыми ионами.................................................................25

§ 1.3.2 Облучение легкими ионами....................................................................28

§ 1.3.3 Облучение молекулярными/кластерными ионами. Молекулярный

эффект......................................................................................................................30

§ 1.4 Изменение поверхностной структуры при ионной имплантации................35

§ 1.5 Влияние ионного облучения на внутренние механические напряжения

материалов.......................................................................................................................37

§ 1.5.1 Алмазоподобный углерод........................................................................37

§1.6 Основные выводы.................................................................................................40

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................41

§ 2.1 Ионное облучение.................................................................................................41

§ 2.1.1 Условия проведения ионного облучения..............................................44

§ 2.2 Метод спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния...................46

§ 2.2.1 Условия проведения эксперимента........................................................51

§ 2.2.2 Калибровка масштаба по глубине..........................................................51

§ 2.3 Атомно-силовая микроскопия............................................................................54

§ 2.3.1 Условия проведения эксперимента........................................................56

§ 2.4 Измерение внутренних механических напряжений в тонких БЬС пленках ...........................................................................................................................................57

ГЛАВА 3. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ В КРЕМНИИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ

ИОНАМИ Р+ и PF4+ РАЗЛИЧНЫХ ЭНЕРГИЙ.................................................................61

§ 3.1 Экспериментальные результаты........................................................................61

§ 3.2 Молекулярный эффект. Возможные механизмы явления.............................67

§ 3.2.1 Расчет эффективности молекулярного эффекта, обусловленного

пороговой аморфизацией.....................................................................................74

§ 3.2.2 Нарастание поверхностных аморфных слоев и процессы нелинейной

генерации первичных дефектов..........................................................................78

§ 3.3 Основные результаты и выводы.........................................................................85

ГЛАВА 4. РАЗВИТИЕ ТОПОГРАФИИ И СДВИГ ПОВЕРХНОСТИ НИТРИДА ГАЛЛИЯ, ОБЛУЧАЕМОГО АТОМАРНЫМИ И МОЛЕКУЛЯРНЫМИ ИОНАМИ 87

§ 4.1 Экспериментальные результаты........................................................................87

§ 4.1.1 Шероховатость поверхности...................................................................88

§ 4.1.2 Изменение толщины облученных слоев................................................90

§ 4.2 Обсуждение результатов.....................................................................................93

§ 4.3 Основные результаты и выводы.......................................................................100

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ТОНКИХ

АЛМАЗ ОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК......................................................................................102

§5.1 Экспериментальные результаты......................................................................102

§ 5.1.1 Изменение ВМН......................................................................................103

§ 5.1.2 Влияние плотности каскадов смещений.............................................107

§ 5.2 Обсуждение результатов...................................................................................111

§ 5.3 Основные результаты и выводы.......................................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................116

ОСНОВНЫЕ АББРЕВИАТУРЫ И СОКРАЩЕНИЯ.....................................................118

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы и степень ее разработанности

Хорошо известно, что бомбардировка ускоренными ионами неизбежно ведет к образованию радиационных дефектов. Для большинства практических применений этот эффект является существенным недостатком. Однако, в ряде случаев оказывается необходимо модифицировать свойства твердого тела контролируемым введением радиационных дефектов.

Процессы дефектообразования в различных материалах при ионном внедрении интенсивно исследуются в течение многих лет. Наиболее детально механизмы дефектообразования изучены в кремнии при облучении атомарными ионами. Однако, в последнее время все больший интерес проявляется к внедрению молекулярных и кластерных ионов. Подобные ионы удобны для создания сверхмелких р-гс-переходов, модификации и анализа приповерхностных слоев [2-4], поэтому исследования радиационного повреждения при имплантации молекулярных/кластерных ионов весьма актуальны.

параметров ионной бомбардировки, влияющим на характер накопления дефектов в целом, и, как следствие, определяющим механизм МЭ. На момент начала работы над диссертацией МЭ в накоплении дефектов в кремнии был изучен лишь для отдельных условий имплантации, т.е. для конкретных значений энергий, плотностей потоков ионов, температур мишени и т.д. В то время как изменение этих параметров может существенно изменять характер накопления структурных нарушений [6, 7].

Изменение структуры приповерхностных слоев твердых тел и распыление при ионной бомбардировке может приводить к изменению топографии поверхности, а в некоторых случаях и к свеллингу (распуханию) модифицированного слоя. Эти эффекты практически отсутствуют в кремнии [8,9], но существенны в перспективном для опто- и СВЧ-электроники, а также электроники больших мощностей материале — нитриде галлия [10]. Однако, до настоящей работы отсутствовали данные по изучению этих эффектов при облучении ваИ молекулярными/кластерными ионами.

Ионная имплантация позволяет не только модифицировать электрические свойства полупроводников, но и изменять механические характеристики материалов, такие как внутренние механические напряжения (ВМН), твердость, коэффициент трения и т.д [11]. Этот эффект может быть интересен для тонких пленок для контроля остаточных напряжений. Примером таких пленок являются тонкие пленки алмазоподобного углерода (а-С:Н, ЭЬС). Внутренние механические напряжения ограничивают применение данного материала, поэтому управление напряжениями является актуальной на сегодняшний день задачей. Известных из литературы работ по влиянию ионной бомбардировки на ВМН в БЬС пленках на момент начала работы было очень мало. При этом вообще отсутствовали данные по облучению молекулярными ионами. Сказанное делало эту область исследований весьма привлекательной.

Цели и задачи работы

• Изучение влияния ионного облучения, в том числе и молекулярными ионами, на внутренние механические напряжения и другие свойства тонких алмазоподобных углеродных пленках.

Научная новизна диссертационной работы

Получен значительный объем экспериментальных данных по накоплению структурных нарушений в кремнии при облучении молекулярными ионами различных энергий. Определен характер накопления устойчивых дефектов для различных энергий ионов. Экспериментально обнаружено, что зависимость эффективности интегрального МЭ в кремнии от энергии является монотонно спадающей функцией в диапазоне энергий 0.6 - 3.2 кэВ/а.е.м. Рассмотрены механизмы, ответственные за подобное поведение МЭ.

Впервые обнаружен МЭ в развитии топографии поверхности нитрида галлия и ее сдвиге при облучении молекулярными ионами. Установлено, что увеличение плотности каскадов столкновений при переходе от облучения атомарными ионами Р+ к облучению молекулярными ионами РРг+ и РР4+ приводит к существенному росту шероховатости поверхности и переходу от свеллинга облученного образца к уменьшению его толщины за счет усиления ионного распыления поверхности. Обнаружено «аномальное» поведение измеряемых параметров при облучении ионами Разработана качественная модель, объясняющая эти эффекты.

Исследована зависимость внутренних механических напряжений в алмазоподобных пленках от дозы ионов при их облучении различными ионами, в

том числе и молекулярными. Обнаружено, что кривая изменения внутренних механических напряжений является универсальной в зависимости от количества смещений, вводимых при ионной бомбардировке. Установлены значительный свеллинг и структурные изменения в алмазоподобных пленках под действием облучения.

Научная и практическая значимость работы

Результаты, полученные в работе, могут найти применение при использовании ионных пучков для модификации свойств различных материалов. В частности, для предсказания уровня повреждения кремния при имплантации молекулярных ионов различных энергий. Учет изменения топографии поверхности и изменение толщины облученных слоев необходим при изготовлении приборов на основе нитрида галлия. Наконец, ионная имплантация является эффективным средством изменения внутренних механических напряжений, возникающих в тонких алмазоподобных пленках. Полученная универсальная зависимость позволяет предсказывать изменение напряжений для различных условий ионного облучения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования распределений структурных нарушений в кремнии по глубине. Облучение 81 ионами РБ4+ приводит к сильному молекулярному эффекту, эффективность которого с ростом энергии спадает для интегрального числа структурных нарушений.

4. Изменения толщины модифицируемого ионами приповерхностного слоя GaN существенно зависит от плотности каскадов смещений. В результате конкуренции свеллинга и ионного распыления при облучении ваК атомарными ионами преобладает его распухание, а при переходе к молекулярным ионам - распыление.

Публикации и апробация работы

Основное содержание работы отражено в 33 печатных работах, в том числе в 6

статьях в журналах из списка ВАК и 3 статьях в трудах конференций. Список

опубликованных работ:

1. Подсвиров O.A., Карасев П.А., Виноградов А.Я., Карасёв H.H., Смирнов A.C., Титов А.И., Карабешкин К.В. Механические напряжения в алмазоподобных пленках: роль условий осаждения и ионного облучения // Поверхность. Рентгеновские, нейтронные, синхротронные исследования. - 2010. - Вып. 3. -С. 81-84.

2. Podsvirov O.A., Karaseov P.A., Vinogradov A.Ya., Azarov A.Yu., Karabeshkin K.V., Karasev N.N., Titov A.I., Smirnov A.S. Influence of ion irradiation on internal residual stress in DLC films // Nucl. Inst, and Meth. B. - 2010. - Vol. 268. - P. 3107-3110.

3. Titov A.I., Karaseov P.A., Belyakov V.S., Karabeshkin K.V., Arkhipov A.V., Kucheyev S.O., Azarov A.Yu., Molecular effect on surface topography of GaN bombarded with PFn cluster ions//Vacuum.-2012. - Vol. 86.-P. 1638-1641.

4. Карабешкин K.B., Титов А.И., Карасев П.А., Беляков B.C., Архипов A.B. Влияние плотности каскадов смещений на топографию и сдвиг поверхности GaN, облучаемого атомарными и молекулярными ионами // Научно-технические ведомости СПБГПУ, Физико-математические науки. - 2012. -№2 (146).-С. 55-61.

5. Карасев П.А., Карабешкин К.В. Особенности образования дефектов в кремнии при бомбардировке молекулярными ионами // Научно-технические ведомости СПБГПУ, Физико-математические науки. - 2012. - №3(153). - С. 62-68.

7. Подсвиров O.A., Карасёв П.А., Виноградов А .Я., Азаров А.Ю., Карасёв H.H., Титов А.И., Смирнов A.C., Карабешкин К.В. «Изменение напряжений в алмазоподобных пленках при их облучении быстрыми ионами» // Материалы XXXIX Международной Конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. - М.: МГУ, 2009. - С. 97.

8. Karaseov P.A., Podsvirov O.A., Vinogradov A.Ya., Azarov A.Yu., Karasev N.N., Titov A.I., Smirnov A.S., Karabeshkin K.V. «Change of internal stress in DLC film by growth parameters» // Book of abstracts of Symposium P of E-MRS 2009 Spring Meeting. - Strasbourg (France). - 2009. - P. 7.

9. Карабешкин K.B., Карасёв П.А., Виноградов А.Я., Азаров А.Ю., Титов А.И., Карасёв H.H., Подсвиров O.A., Смирнов A.C. «Влияние ионного облучения на механические напряжения в алмазоподобных пленках» // Труды XIX Международной Конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью ВИП-2009». - Звенигород, 2009. - М: МГУ, 2009. - Т. 2. - С. 226-229.

10. Podsvirov O.A., Karaseov P.A., Vinogradov A.Ya., Karabeshkin K.V., Karasev N.N., Titov A.I., Smirnov A.S., «Influence of ion irradiation on internal residual stress in DLC films» // Book of abstracts of 15th International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI-15). - Padova (Italy), 2009. - P. 94.

11. Karaseov P.A., Karabeshkin K.V., Vinogradov A.Ya., Karasev N.N., Podsvirov O.A., Smirnov A.S., Titov A.I., «Change of Internal Mechanical Stress in Thin DLC Films by Ion Bombardment» // Book of Abstracts of 5th International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials (NANOSMAT-5). - Reims (France), 2010.-P. 304.

12. Vinogradov A.Ya., Karabeshkin K.V., Karasev N.N., Podsvirov O.A., Korkin, A.S. Smirnov I.V., Titov A.I., Karaseov P.A. "Internal Stress in Thin Diamond-Like Carbon

Films" // Book of Abstracts of 5th International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials (NANOSMAT-5). - Reims (France), 2010. - P. 303.

13. Карасёв П.А., Титов А.И., Карабешкин K.B., Беляков B.C., Азаров А.Ю., Землякова С.Ю. «Особенности радиационного повреждения поверхности GaN при облучении небольшими кластерными �