4. Ионная имплантация

Ионная имплантация – метод легирования поверхностных слоев, заключающийся в обработке поверхности потоком высокоэнергетичных ионов и внедрении их в объеме материала.

Процессы ионной имплантации были использованы впервые для моделирования процессов, протекающих в твердых телах при их радиационной обработке. Было установлено, что в результате внедрения 1 иона тяжелых элементов в поверхностный слой число дефектов в 10⁶ раз больше по сравнению с числом дефектов, образующихся в результате воздействия 1 нейтрона. Следовательно, используя обработку поверхности ионами, можно в 10⁶ раз снизить дозу облучения для получения такого же эффекта, значительно интенсифицировать процессы генерации радиационных повреждений и сократить, таким образом, продолжительность исследований по выбору радиационно-стойких материалов.

Ионная имплантация характеризуется следующими основными преимуществами:

1. отсутствие термодинамических ограничений по составу образующихся в поверхностных слоях сплавов и химических соединений. Используя ионную имплантацию, принципиально возможно получение систем сложного состава с любым сочетанием компонентов;

2) при ионной имплантации формируются неравновесные метастабильные структуры, которые в ряде случаев имеют уникальные физико-механические свойства. Данная особенность обусловлена тем, что процессы структурообразования протекают в условиях очень быстрого охлаждения (скорость охлаждения может достигать значений ~10⁶ К/c);

3) универсальность и гибкость процесса; методом ионной имплантации удается получить слои с необходимым профилем концентраций легирующих элементов, структурным состоянием. Часто для регулирования характера распределения имплантированных атомов в поверхностном слое используется дополнительная термообработка;

4) высокая чистота процесса (процесс осуществляется в высоком вакууме); высокая автоматизация; широкие возможности в управлении ионным пучком, возможность локальной обработки;

5) возможность осуществления процесса при различных условиях и режимах, в том числе и при относительно низкой температуре поверхности;

6. возможность создания поверхностных слоев с высокими физико-механическими свойствами, которые трудно или даже невозможно получить другими методами обработки.

К основным недостаткам процесса ионной имплантации можно отнести:

1) образование в поверхностных слоях высокой концентрации дефектов. При высокой дозе облучения образуются даже аморфные слои. Для устранения дефектности проводят термическую обработку, в частности, кратковременный отжиг при температуре 400…700 ⁰С;

2) относительно сложное технологическое оборудование и низкая производительность процесса обработки.

4.1. Физические основы метода

Процесс ионной имплантации и состояние модифицированных слоев характеризуются следующими основными параметрами, изменение которых оказывает определяющее влияние на свойства обрабатываемых поверхностей:

1. Распределение внедренных атомов по толщине. Оно зависит от энергии ионов, природы материала подложки, температуры поверхности. Для регулирования профиля распределения плотности легирующих атомов, как уже отмечалось, используется дополнительная термообработка.

2. Максимальная допустимая доза легирования – количество ионов, внедренных на единице поверхности обрабатываемой детали. Как правило, эта доза находится в пределах D = 10¹⁶…10¹⁸ ион/см².

3. Параметры, характеризующие взаимодействие ионов с атомами поверхностного слоя (скорость образования дефектов, характер и структура образующихся химических соединений и т. д.).

4. Параметры, определяющие изменения структуры и свойств легированных слоев в зависимости от дозы облучения, плотности радиационных дефектов и т.д.

Основной характеристикой степени обработки при ионной имплантации является распределение имплантированных ионов по толщине поверхностного слоя. При взаимодействии иона с поверхностью в процессе многократных столкновений с атомами мишени происходит передача кинетической энергии, и в итоге ион, внедрившийся на некоторое расстояние от поверхности, теряет эту энергию полностью. Для характеристики этого процесса используют следующие параметры: пробег иона R – это путь, который проходит ион до полной потери кинетической энергии (на основании экспериментальных данных этот параметр определить сложно); проекцию пробега иона R_x – расстояние, на которое внедрился ион от поверхности (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1. Схема взаимодействия иона с атомами мишени

Проекция пробега иона R_x экспериментально определяются достаточно просто, используя, например, методы масс-спектроскопии. Для характеристики взаимодействия большого числа ионов с поверхностью используют функцию распределения плотности имплантированных атомов по толщине слоя dN/dx (dN – число имплантированных атомов, находящихся на расстоянии x от поверхности в слое толщиной dx) (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – Характерные функции распределения плотности имплантированных атомов по толщине слоя: 1-при энергии ионов Е₁; 2 –при энергии ионов Е₂ (Е₂ >Е₁)

В общем случае функция dN/dx зависит от соотношения масс атомов поверхности и ионов, энергии иона, структуры поверхностного слоя (типа кристаллической решетки). Она чувствительна к протяженным дефектам, зависит от температуры и структурных характеристик поверхностного слоя.

Рассмотрим влияние энергии ионов на процессы энергообмена при их столкновении с атомами мишени. При движении ионов в объеме поверхностного слоя различают два вида потерь энергии:

1. Потери энергии при взаимодействии с электронами в свободном или связанном состоянии. Этот вид взаимодействия характеризуется S_е – коэффициентом электронной составляющей торможения.

2. Потери энергии при взаимодействии с ядрами. Этот вид потери учитывает параметр S_я – ядерная составляющая процесса торможения.

В общем случае, изменение энергии иона dE при прохождении им расстояния dx может быть оценено с помощью выражения:

где N – концентрация атомов мишени.

Отсюда

Тогда проекция пробега

(4.1)

Известно, что ядерная составляющая процесса торможения S_я практически не зависит от энергии ионов. Электронная составляющая прямо пропорциональна скорости иона (рисунок 9.3): S_e = a; V = k E^0,5 (а и k - постоянные для данного иона и материала мишени коэффициенты).

Рисунок 4.3 – Зависимость ядерной (1) и электронной (2) составляющих процесса торможения от энергии иона

Как видно из рис. 4.3, при энергии иона Е = Е_к ядерная и электронная составляющие равны (S_e=S_я). Оценки показывают, что для металлов Е_к=10³…10⁴ эВ.

При анализе уравнения (4.1) рассмотрим характерные случаи.

1. Обработка поверхности ионами, имеющими низкую энергию (ЕЕ_к). В этом случае основным процессом, определяющим торможение ионов, является рассеивание на ядрах. Тогда S_яS_е и из (9.1) следует, что R_xЕ.

2. Воздействие на поверхность высокоэнергетичных ионов (ЕЕ_к). Тогда S_яS_е и достаточно точно проекционный пробег может быть определен с помощью соотношения R_x=5Е^0,5 . (4.2)

Отметим, что второй случай является весьма характерным для практических приложений, и выражение (4.2) часто используется при проведении предварительных расчетов. Так, например, при обработке ионами с энергией Е=10⁶ эВ (или Е=16^.10^-14Дж) глубина внедрения ионов R_x= 2 мкм.

Из данного рассмотрения следует, что при внедрении ионов низких энергий преобладают процессы взаимодействия с ядрами (S_яS_е) и радиационные дефекты (вакансии и межузельные атомы) образуются вдоль всей траектории движения ионов. Если же имеет место обработка ионами высоких энергий, то радиационные дефекты образуются только в конце пробега ионов, когда ионы имеют достаточно низкую энергию.

Как правило, при обработке ионами средней энергии максимум концентрации имплантированных атомов приходится на расстояние 0,1…0,8 мкм от поверхности. Концентрация легирующих элементов в этом слое может достигать 1…30 %.