3.1. Источники ионных потоков.

3.1.1. Источник Кауфмана.

Такой источник называют также многопучковый ионный источник (МИИ). Принцип работы основан на вытягивании ионов из плазмы несамостоятельного тлеющего разряда в газе при давлении 10^-1 – 10^-2 Па и напряжении 20 – 100 В через сетку, которая содержит до 1000 отверстий. Характеристики ионного потока: энергия ионов Е₀ = 0,5 – 3 кэВ, диаметр потока до 30 см, плотность ионного тока до 1,5 мА/см². Состав потока – атомные, молекулярные и радикальные ионы рабочего газа.

3.1.2. Дуговой источник.

Он является модификацией МИИ. Отличие заключается в использовании несамостоятельного слаботочного (единицы ампер) дугового разряда при давлении 1 – 10 Па. Вместо сеток установлены экраны с одним отверстием. Рабочим веществом могут служить как газы, так и пары легкоплавкий металлов и пары материала катода. Плотность ионного тока до 100 мА/см².

3.1.3. Источник на базе УАС (ускоритель с анодным слоем).

Такой источник работает на принципе вытягивания ионов из плазмы самостоятельного тлеющего разряда, горящего в скрещенных электрическом и магнитном полях в газовой среде. Напряжение горения разряда 500 – 3000 В, давление газа 0,1 - 1 Па.

3.1.4. Полевые зондовые источники.

Предназначены для создания точечных ионных источников, что позволяет сфокусировать ионный луч в диаметр микронного размера. Разновидности таких источников: жидкопленочный (жидкометаллический) и адсорбционный. Принцип работы источника сводится к испарению и автоионизации (безстолкновительная ионизация в сильном электрическом поле напряженностью 10⁸ – 10⁹ В/см) атомов расплава. Такая напряженность создается благодаря малому радиусу закругления (5–10 мкм) острия иглы. Эмиссионный ионный ток источника от 1 до 10 мкА. Адсорбционного источника содержит иглу-эмиттер, охлаждаемую жидким азотом. Рабочее вещество (газы и пары жидкостей) подается через трубку к острию иглы. Принцип работы источника сводится к физической адсорбции, последующей автоионизации в области острия и вытягиванию ионов электрическим полем. Ионный ток источника порядка 0,1 мкА.

3.2. Процессы при взаимодействии ионов с поверхность твердого тела.

3.2.1. Классификация процессов взаимодействия.

Процессы взаимодействия ионов с поверхностью можно разделить на группы:

• процессы, происходящие в приповерхностном слое. Это упругое и неупругое рассеяние ионов, вызывающее каскады атомных столкновении, аморфизацию, ионное перемешивание, возбуждение, ионизацию и диссоциацию частиц твердого тела;

• поверхностные процессы. Это физическая и химическая адсорбция первичных ионов, вынужденная десорбция инородных частиц;

• эмиссионные процессы. Это ион-электронная, ион-фотонная, ион-атомная (физическое и химическое распыление) эмиссии, а также обратное рассеяние ионов;

• нагрев поверхности.

3.2.2. Упругое и неупругое рассеяние ионов в твердом теле.

3.2.2.1. Теоретическая модель.

Вводится понятие энергетических потерь иона на единицу длины его пробега dE/dR и понятие электронной Se и ядерной Sn тормозной способности. Se и Sn – это энергетические потери на единицу длины пробега иона, приходящиеся на одну частицу твердого тела. Теперь можно записать:

При расчете Sn с целью удобств представления результатов расчета вводится безразмерная приведенная энергия иона

, (3.3)

и безразмерный приведенный пробег иона

. (3.4)

В таких обозначениях приведенная безразмерная ядерная тормозная способность имеет вид

. (3.5)

Эта зависимость универсальна, т.е. применима для любых пар ион-атом твердого тела.

Результаты расчета S_n представлены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Зависимость тормозной способности ионов в веществе от приведенной энергии ионов

Приведенная ядерная тормозная способность имеет максимум при  = ₁ = 0,35.

Для определения электронной тормозной способности при  < ₃ используют эмпирическую формулу

, (3.6)

где и для большинства пар ион-атом лежит в интервале 0,1 – 0,25.

При  > ₃ считают, что Se пропорциональна ^–1.

3.2.2.2. Пробеги ионов в твердом теле.

R_p – средний (для дозы ионного облучения) проецированный пробег, R_┴ – средний поперечный пробег. Остановка иона произойдет, когда в результате энергетических потерь его энергия сравняется с энергией тепловых колебаний частиц поверхностного слоя. Для расчета R_p используют формулы:

, (3.7)

при 0,002 <  < 0,1

, (3.8)

при 0,5 <  < 10,

где с₁, с₂ – коэффициенты, зависящие от отношения М₂ / М₁.

Распределение внедренных ионов имеет форму кривой Гаусса.

, (3.9)

где Q, - доза облучения, - среднеквадратическое отклонение величины .

Максимальная концентрация внедренных ионов расположена на глубине, равной проецированному пробегу, и равна

. (3.10).

ЛЕКЦИЯ 8. 3.2.2.3. Каналирование ионов.

В монокристаллах существуют направления, вдоль которых атомы решетки образуют каналы, ограниченные параллельными цепочками атомов. Движение ионов вдоль таких каналов при слабом их рассеянии называют каналированием.

Каналирование происходит при углах падения ионов на поверхность, меньших φ_кр. Основной механизм потерь энергии ионов в этом случае – электронное торможение. Теоретическая модель позволяет оценить величину критического угла φ_кр. Если

E₀> E_x,

где , (3.12)

E_x – характерная энергия, α – параметр экранирования.

то . (3.13)

Если E₀< E_x,

то (3.14)

Пробег ионов при каналировании становится аномально большим. Проецированный пробег возрастает примерно на порядок.

3.2.3. Ион-электронная эмиссия.

Существуют два механизма такой эмиссии.

Потенциальная эмиссия (потенциальное вырывание) происходит если Е₀ < 1 кэВ и U_i > 2e, U_i – энергия (потенциал) ионизации падающего иона. В этом случае ион у поверхности своим полем компенсирует потенциальный барьер электронов поверхности. В результате рекомбинации иона энергия рекомбинации передается второму электрону, который покидает поверхность. Коэффициент потенциальной ион-электронной эмиссии обычно мал и лежит в интервале от10^–1 до 10^–3 в зависимости от типа ионов и материала поверхности.

Кинетическая эмиссия происходит при Е₀ > 500 эВ в результате возбуждения электронного газа, а также в результате ударной ионизации атомов или молекул поверхностного слоя. Максимальное значение этого коэффициента составляет порядка единицы для металлов и порядка десяти для диэлектриков.

3.2.4. Физическое (катодное) распыление (травление) поверхности.

Процесс заключается в выбивании с поверхности атомов, молекул или радикалов, принадлежащих материалу поверхности.

Считается, что атом может покинуть поверхность в результате парных упругих столкновений ион-атом при угле падения иона на поверхность больше нуля, а также в результате образования каскадов атом-атомных столкновений при угле падения иона близком к нулю. Основная характеристика процесса физического распыления – коэффициент физического распыления S, равный отношению числа выбитых с поверхности атомов к числу упавших на нее ионов.

а). Зависимость S от Е₀.

Такая зависимость показана кривой Sф на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Зависимость коэффициента распыления поверхности S при физическом и химическом распылении от энергии падающих ионов.

Процесс физического распыления ионным потоком носит пороговый характер. Если энергия иона Е₀ меньше пороговой величины Еп, процесс не наблюдается. Еп - это величина близкая к энергии связи поверхностного атома, но несколько ее превышающая.

б). Зависимость S от атомного номера иона Z₁.

В этой зависимости наблюдается периодические изменения S от Z1 и соответственно от массы иона. Максимальные значения S достигаются для ионов инертных газов (VIII группа), причем, чем больше масса иона, тем больше величина S.

в). Зависимость S от атомного номера Z₂ материала твердого тела.

Здесь также наблюдается периодическая зависимость, обусловленная периодичностью величины энергии связи атомов поверхности с изменением Z₂. Максимальные значения S достигаются для поверхностей Cu, Ag и Au, минимальные для поверхностей Ti, Nb, и W.

г). Зависимость S от угла падения ионов.

С ростом угла падения ионов обнаружено увеличение S. Максимального значения величина S достигает при углах падения ионов от 50 до 70^о в зависимости от типа иона и материала поверхности. Влияние угла падения ионов на величину S при  < 60^о описывается формулой.

, (3.16)

где S(0) - коэффициент распыления при угле падения, равном нулю, n=1,7 при M₁  M₂, n=1 при M₁ << M₂ .

д). Зависимость S от кристаллической структуры поверхностного слоя.

Для поликристаллических поверхностей наблюдается возрастание величины S на границах зерен. В этом случае физическое распыление сопровождается образованием рельефа поверхности. Для монокристаллов величина S зависит от кристаллографической ориентации поверхности.

е). Зависимость S от характеристик среда над поверхностью.

С ростом давления газовой среды над поверхностью снижается величина S, так как часть распыленных частиц в результате рассеяния на частицах газовой среды возвращается на поверхность. Наличие в газовой среде химически активных частиц (O₂, N₂, CO₂ и т.д.) приводит к снижению величины S. Это связано с образованием на поверхности оксидов, нитридов и карбидов материала.

ж). Характеристики распыленных частиц.

Основная часть распыленных частиц имеет энергию 2 - 10 эВ. Средняя энергия лежит в интервале 20 - 40 эВ и растет в этом интервале с ростом Е₀ за счет увеличения доли высокоэнергетических частиц в распыленном потоке.

ЛЕКЦИЯ 9. 3.2.5. Вторичная ион-ионная эмиссия.

Это процесс эмиссии ионов, принадлежащих материалу поверхности. Порог процесса Е₀ = 50 - 80 эВ в зависимости от материала поверхности и типа иона. Коэффициент эмиссии Sи (коэффициент ион-ионного распыления) растет с ростом Е₀ и достигает максимума при Е₀ = 30 - 60 кэВ.

3.2.6. Химическое распыление (травление) поверхности.

Данный процесс называют также ионно-химическим травлением (ИХТ) или реактивным ионно-лучевым травлением (РИЛТ). В этом случае "летучие" соединения (см. п. 2.2.9.) образуются при бомбардировке поверхности химически активными ионами, образованными при ионизации Cl и F-содержащих газов (CCl₄, CF₄, BCl₄, SF₄ и т.д.). Скорость ИХТ на порядок и более превышает скорость радикального травления.

Зависимость коэффициента химического распыления от энергии падающих ионов представлена кривой Sx на рис. 3.6. В чистом виде химическое распыление реализуется при Е₀ < Eп. При Е₀ меньше 3 - 5 кэВ химическое распыление значительно преобладает над физическим. Максимального значения Sх достигает при Е₀ = 0,5 - 1 кэВ. Коэффициент распыления S есть сумма Sх и Sф.

3.2.7. Образование радиационных дефектов. Аморфизация.

В результате ион-атомных и каскадных атом-атомных столкновений в приповерхностном слое образуются точечные дефекты типа атом междуузелья и вакансия. Объединение точечных дефектов приводит к образованию объемных типа кластеры, поры, пористые каналы. При больших дозах облучения плотность дефектов становится сравнима с плотностью атомов в решетке, т.е. происходит аморфизация приповерхностного слоя.

3.2.8. Ионное перемешивание.

Под этим процессом понимают процесс изменения состава приповерхностного слоя путем нанесения на поверхность пленки иного материала с последующей бомбардировкой такой структуры ионами инертного газа. Перераспределение концентрации частиц материала пленки и поверхности происходит в результате баллистического перемешивания атомов вперед и назад под действием ион-атомных и каскадных атом-атомных столкновений.

3.2.9. Обратное отражение (рассеивание) первичных ионов.

В результате упругих столкновений ион-атом возможны случаи, когда угол рассеяния превысит 90^о и падающий ион покинет поверхность. При М₁ < M₂ обратное отражение возможно для единичного столкновения. При M₁ равном или больше М₂ для отражения необходимо несколько столкновений. Здесь М₁ и М₂ - масса иона и атома поверхности соответственно.

Процесс упругого столкновения иона с энергией Е₀ и атома поверхности характеризуется величиной кинематического фактора

, (3.17)

где K и  - кинематический фактор и угол рассеяния иона, Е₁ - энергия иона после столкновения.

Максимальное значение кинематического фактора при =180⁰ . Энергия обратно рассеянных ионов лежит в интервале от близких к нулю до максимальной граничной величины, равной КЕ₀. Величина этого интервала - это область энергетических потерь иона при его движении вглубь материала и обратно. Энергии обратно рассеянного иона КЕ₀ соответствуют случаи отражения поверхностными атомами. Измерение величины КЕ₀ при известном значении Е₀ позволяет определить химический состав поверхности.

3.2.10. Адсорбция ионов.

Процесс вероятен при малых Е₀ от единиц до 100 - 200 эВ. При наличии потенциальной ямы химической адсорбции происходит образование химического соединения с вероятностью близкой к единице. Процесс адсорбции сопровождается рекомбинацией иона.

3.2.11. Эмиссия электромагнитного излучения.

Такая эмиссия есть результат излучательной рекомбинации движущегося и образованных в твердом теле ионов, а также при излучательном тушении возбужденных атомов и молекул. Спектр излучения лежит в интервале от рентгеновского до ИК диапазонов. Кроме этого, движение образованных коротковолновых фотонов в твердом теле вызывает вторичное излучение за счет тушения возбужденных атомов и молекул.

3.2.12. Нагрев поверхности.

Переносимая ионным потоком кинетическая и потенциальная энергия в конечном итоге расходуется по следующим каналам: эмиссионные процессы, создание радиационных дефектов, необратимые радиационно-химические превращения, нагрев поверхности.

Последний канал поглощает от 20 до 80 % переносимой энергии в зависимости от Z₁, Z₂ и E₀.

ЛЕКЦИЯ 10. 3.3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

3.3.1. Модификация свойств поверхности.

Это изменение следующих свойств: механических (износостойкость, твердость, коэффициент трения), тепловых (температура фазовых переходов, теплоемкость, теплопроводность), химических (корозионная стойкость, каталитическая активность, растворимость), оптических (коэффициенты отражения, пропускания, поглощения, преломления), электрических (тип проводимости, поверхностное сопротивление), эмиссионных (коэффициенты термо- и автоэлектронной эмиссии, фотон-электронной и электрон-фотонной эмиссии и т.д.).

Основной недостаток ионной модификации - это небольшая толщина модифицированного слоя (максимум порядка 10 мкм), а также внесение дефектов в кристаллические поверхности.

а). Ионная имплантация.

Цель процесса в получении сложных профилей легирования, скрытых легированных слоев и скрытых слоев SiO₂ и Si₃N₄. К недостаткам относится образование дефектов, сравнительно малая толщина легированного слоя, значительное распыление поверхности при больших дозах облучения

б). Получение силицидов тугоплавких металлов.

Процесс сводится к ионному перемешиванию тонкой пленки металла, нанесенной на поверхность кремния. Например, образование поверхностных слоев TiSi₂, TaSi₂, PtSi, WSi.

в). Ионолитография.

Ионолитография отличается более высокой чувствительностью резистов, меньшим рассеянием (приближением размера области экспонирования к размеру ионного пучка), меньшим вторичным излучением.

г). Нанесение пленочных покрытий.

Для этого используются следующие технологии: прямое осаждение из автономных ионных источников, осаждение физически распыленного потока ионами автономного источника или ионами, вытягиваемыми полем из плазменных разрядов, ионно-стимулированное осаждение. В этом случаев осаждение проводится из потока нейтральных частиц, но одновременно сопровождается облучением растущей пленки потоком ионов инертного газа.

Основные преимущества таких технологий - это высокая адгезия, связанная с образованием переходного слоя подложка-пленка, получение сверхтонких пленок, возможность получения пленок любых химических соединений. Для получения пленок химических соединений (оксидов, нитридов, карбидов, фторидов и т.д.) осаждение проводят при наличии в вакуумной камере реактивных газов.

д). Травление поверхностей.

Для этого используют следующие технологии: ионное травление (ИТ). В этом случае поверхностный слой удаляется в результате физического распыления ионами инертного газа с Е₀ от сотен эВ до десятков кэВ, ионно-химическое травление (ИХТ). В этом случае поверхностный слой удаляется как путем образования "летучих" компонент, так и путем физического распыления, ионно-стимулированное радикальное травление.

Основные достоинства таких технологий - это получение высокой анизотропии, достижение максимальных скоростей травления до десятков нм/с.

3.3.2. Анализ поверхности и тонких пленок.

а). Вторичная ионная масс-спектроскопия (ВИМС).

Метод основан на облучении поверхности потоком ионов инертного газа с Е₀ = 30 - 80 кэВ и регистрации масс-спектра эмитированных вторичных ионов.

б). Спектроскопия обратного рассеяния.

Метод основан на регистрации спектра с последующим определением величины кинематического фактора обратно рассеянных ионов Н и He, падающих на поверхность с Е₀ = 0,1 - 3МэВ. Кроме этого, метод позволяет определять толщину тонких пленок, нанесенных на инородные подложки.

в). Оже-спектроскопия с ионным возбуждением.

Это аналог электронной Оже-спектроскопии, использующий для облучения поверхности ионы Н и Не мегавольтного диапазона. Однако, благодаря относительно малому фону электронов, вызванных процессами ион-электронной эмиссии, чувствительность метода в 3 - 5 раз выше.

г). Рентгеноспектральный анализ с ионным возбуждением.

Чувствительность метода на порядок - два выше, чем в случае электронного возбуждения. Чувствительность метода к примесям достигает 10^-6 - 10^-7 ат.%.

ЛЕКЦИЯ 11.

4. СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХПРОЦЕССАМИ ИОННО-ПЛАЗМЕННОНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ.

Магнетронные распылительные системы, принцип работы которых основан на физическом распылении материала мишени (катода) при газовом разряде в скрещенном электрическом и магнитном полях, считаются наиболее перспективными устройствами для нанесения тонкопленочных покрытий сложного химического состава, в частности, оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д. различных материалов..