WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 16 | 17 || 19 | 20 |   ...   | 27 |

x - R ( ) p Q N = exp-. (4.7) x 2R 2Rp p Максимальная концентрация внедренной примеси равна Q Nмах = (4.8) 2R p и располагается на глубине Rp.

Измерение профиля внедрённых ионов проводится различными методами: - радиоактивных изотопов; - исследованием дифференциальной проводимости и эффекта Холла; - определением глубины залегания p-n перехода и др. Наиболее простым является метод радиоактивных изотопов, которым непосредственно определяется распределение внедрённых атомов примеси.

4.2.3. Взаимодействие ионов с монокристаллами, Каналирование При ионной бомбардировке монокристаллов проявляется эффект каналирования, заключающийся в прохождении ионов между параллельными цепочками атомов в соответствии с кристаллографическими направлениями. Существует определенный критический угол вхождения ионов в канал, образованный параллельными цепочками атомов. При превышении этого угла рассеяние иона происходит так же, как в аморфной мишени. Значения критических углов для большинства комбинаций ионмишень лежат в пределах 3-6о. При каналировании преобладает электронное торможение. Максимальный пробег каналированных ионов примерно на порядок величины превышает пробег при ядерном торможении. Пример распределения каналированных ионов приведен на рис.4.2. Первый максимум принадлежит неканалированным ионам, которые рассеиваются как в аморфном веществе. На эффект каналирования влияет температура мишени, доза облучения и наличие дефектов на поверхности и в объеме твердого тела. Возрастание всех указанных факторов приводит к уменьшению эффекта каналирования вплоть до полного его исчезновения.

Рассчитать распределение ионов, проходящих через каналы, трудно.

Причина заключается в сложности учёта числа ионов, попадающих в соседние каналы и средний канал. При некотором отклонении от оси этих каналов сила, действующая на ионы, различна. Движущиеся по каналу ионы по мере их прохождения через мишень отклоняются также из-за тепловых колебаний атомов мишени, дефектов решётки и так далее, причём этот эффект по мере отклонения от центра канала становится всё более заметным. Даже если в начале имеется совершенный монокристалл, то с увеличением количества внедрённых атомов при их столкновении с атомами мишени образуются дефекты решётки, и из-за этих дефектов падающие ионы отклоняются от направления каналирования.

Таким образом, при падении ионов в направлении каналов тип распределения будет зависеть от количества внедряемых ионов. Это явление затрудняет расчёт распределения ионов, падающих в направлении каналирования. Пики вблизи поверхности обусловлены ионами, отклонёнными от направления каналирования при столкновении с атомами на поверхности, в этом случае распределение пробегов совпадает с распределением пробегов в аморфной мишени. Пики в наиболее далёких от поверхности местах обусловлены каналированными ионами. Для них максимальная длина пробега рассчитывается:

1 dЕ Rmax = =2Е1,5 / nok*. (4.9) e ( ) no 0 Se Е ( ) N(x)/NКаналированные ионы "Аморфный" пробег R Деканалирован ные ионы RMAX R RP Рис. 4.2. Распределения внедренных атомов при эффекте каналирования 4.2.4. Образование радиационных дефектов при ионной бомбардировке, Отжиг радиационных дефектов При бомбардировке твердого тела ионами происходит образование дефектов за счет выбивания атомов из узлов решетки и внедрения первичных ионов в междоузлия. Для выбивания атома из узла решетки требуется энергия, называемая энергией смещения. Значения этой энергии составляют от 5 эВ (сложные соединения) до 80 эВ (алмаз). Радиационные дефекты, возникшие при ионной бомбардировке, являются термодинамически неравновесными. Их число при ядерном торможении в модели упругих шаров может быть оценено по уравнению:

N() = Еo/(2Еd). (4.10) Концентрация дефектов в зависимости от расстояния от поверхности имеет вид кривой с максимумом, причем максимум концентрации дефектов расположен несколько ближе к поверхности, чем максимум концентрации внедренных ионов. При образовании большого количества дефектов кристалл может перейти в аморфное состояние, при этом подвижность носителей заряда уменьшается. Радиационные дефекты затрудняют каналирование ионов в монокристаллах.

Термообработка (термический отжиг) в определённых условиях может сократить число дефектов решётки и восстановить её почти до первоначального состояния. Так как при увеличении температуры внедрённые примеси диффундируют в подложке, температура термообработки должна быть минимальной. Дефекты решётки, препятствуя движению носителей, значительно изменяют коэффициент диффузии примеси в кристалле. Если при диффузии атомов в кристалле имеются вакансии, то энергия активации во время передвижения атомов уменьшается, и диффузия ускоряется.

Увеличение коэффициента диффузии связано с коэффициентом диффузии дефектов решётки и концентрацией вакансий, увеличенной по сравнению с равновесной. Эта зависимость очень важна при конструировании приборов. Если в определённом месте создать область с более высокой концентрацией дефектов, то коэффициент диффузии будет расти только в заданном месте, и можно глубоко внедрять примеси даже при незначительном увеличении температуры.

Для устранения дефектов решётки необходима энергия активации. Эта энергия определена для каждой структуры дефектов. Например, для дивакансий требуется энергия активации 1,25 эВ, в то время как для обычных дефектов 0,33 эВ. Вероятно, многократные дефекты решётки, большие, чем дивакансии, имеют более высокую энергию активации.

4.2.5. Изменение электрических свойств твердых тел при ионной бомбардировке Внедрение ионов и образование радиационных дефектов сопровождается изменением электрических характеристик обрабатываемого материала. При ионном облучении металлов их сопротивление обычно возрастает из-за уменьшения подвижности электронов и увеличения их рассеяния на радиационных дефектах и внедренных частицах. При больших дозах облучения возможно и уменьшение концентрации свободных электронов в металле, связанное с изменением состава, образованием химических соединений.



Изменение электропроводности полупроводников при ионной бомбардировке связано с внедрением активных примесей, образующих локальные уровни в запрещенной зоне полупроводника. Этим методом можно создавать области с n и p проводимостью, а так же n-p переходы в материалах, для которых диффузионные методы неприменимы, например, в алмазе, сульфидах кадмия и цинка и других.

Контрольные вопросы Каковы механизмы ядерного и электронного торможения ускоренных ионов в твердом теле В каком диапазоне энергий ионов преобладает ядерное торможение В каком диапазоне энергий ионов преобладает электронное торможение Как зависит энергия, соответствующая максимуму ядерной тормозной способности, от массового числа иона Сформулируйте понятие проекции пробега иона в твердом теле.

Как зависит длина пробега от энергии ионов Как зависит длина пробега от массового числа иона В чем суть эффекта каналирования ионов в монокристаллах Укажите механизмы образования дефектов при ионной бомбардировке твердого тела.

Каков механизм процесса отжига дефектов Как влияет ионная бомбардировка на электропроводность металлов и полупроводников В чем суть радиационно-стимулированной диффузии.

4.3. ИОННО-ЛУЧЕВЫ Е УСТАНОВКИ В современных ионно-лучевых установках ионы ускоряются до энергий 20 - 450 кэВ, перспективны и установки с энергией до 1 МэВ. На рисунке 4.показана структурная схема ионно-лучевой установки.

1 2 3 5 6 8 10 13 12 Рис.4.3. Структурная схема ионно-лучевой установки: 1- система напуска рабочего вещества; 2 - ионный источник; 3 - система формирования ионного пучка; 4 - ионопровод; 5 - сепаратор ионов; 6 - система ускорения;

7 - камера с образцами; 8 - 11 - системы откачки; 12 - 14 -блоки питания;

15 - устройство контроля дозы облучения Основные требования, предъявляемые к ионно-лучевым установкам:

- возможность работать с одно- и многозарядными ионами различных элементов;

- обеспечение ускорения ионов в широком диапазоне энергий;

- точное регулирование и поддержание дозы облучения;

- возможность прецизионной взаимной ориентации ионного луча и образца;

- точное регулирование и поддержание температуры образца в широких пределах;

- наличие высокого вакуума и отсутствие углеводородов в остаточных газах;

- модульное исполнение установки.

Для промышленных установок важнейшими требованиями являются:

- высокая производительность;

- малые габариты и энергопотребление;

- длительная, стабильная и воспроизводимая работа установки и ее узлов;

- возможность автоматизации и управления с помощью ЭВМ;

- безопасность и простота обслуживания.

Все типы установок по системам ускорения ионов можно разделить на три группы:

1. С ускорением до сепаратора. При этом сепаратор и приемная камера находятся под нулевым потенциалом, что удобно для эксплуатации, но сепарация ионов с большой энергией требует крупногабаритных магнитных систем.

2. С ускорением после сепаратора. В такой системе используются умеренные магнитные поля, но приемная камера находится под высоким потенциалом.

3. С ускорением и до и после сепаратора. Такие установки наиболее удобны для работы с высокоэнергетичными ионами, имеющими сравнительно небольшие массовые числа.

В зависимости от дозы облучения выделяют установки малых и средних доз, больших доз и высокоэнергетичные. Рассмотрим подробнее отдельные узлы ионно-лучевой установки.

4.3.1. Источники ионов Источниками ионов называют устройства, в которых на основе различных принципов ионообразования создается определенная концентрация заряженных частиц - ионов. Ионы образуются из нейтральных молекул или атомов при ионизации электронным ударом, фотоионизации, химической или термической ионизации, ионизации в результате соударений с другими ускоренными ионами и т.д.

Выбор конкретного типа источника для использования в технологической или экспериментальной установке осуществляют на основе сравнения их основных технических характеристик. Можно сформулировать общие требования непосредственно к ионному потоку из источника и к самому источнику.

Ионый поток характеризуют следующие основные параметры:

• общий ток пучка и яркость ионного источника;

• однородность, определяемая составом пучка по массам, а также зарядность ионов ( одно-, двух-, трех- и т. д. зарядные ионы);

• распределение ионов по энергиям;

• стабильность тока, количественно оцениваемая степенью модуляции, выражаемая в %;

• расходимость, определяемая системой формирования ионного потока, его первеансом и значениями поперечных скоростей ионов.

Эксплуатационные особенности самих источников определяются целой группой характеристик. Основные из них:

- тип источника в зависимости от вида ионообразования;

- режим работы (стационарный или импульсный);

- возможность ионизации веществ в их различных состояниях ( газ, жидкость, твердое тело);





- коэффициент использования рабочего вещества (для газовых источников - газовая экономичность, определяемая отношением числа выходящих из источника ионов к числу атомов, вводимых в источник);

- энергия ионов на выходе;

- необходимость в принудительном охлаждении.

При выборе источника следует учитывать его экономичность, измеряемую отношением ионного тока к мощности, подводимой к источнику. Важной характеристикой для применения источников в технологических установках является их долговечность - период непрерывной работы без замены деталей с разборкой источника.

Ионный источник с поверхностной термической ионизацией Наиболее простым по конструкции является источник с поверхностной термической ионизацией. Принцип его действия основан на явлении поверхностной ионизации, когда адсорбирующиеся на разогретой поверхности атомы, имеющие меньший потенциал ионизации, чем работа выхода электрона из адсорбента, отдают ему свой внешний электрон. После этого адсорбированные атомы могут покинуть поверхность уже в виде положительных ионов. Если потенциал ионизации адсорбированного атома I меньше работы выхода электрона из материала основы, то степень ионизации будет описываться экспоненциальным уравнением вида:

e - I N+ ( ) = = A exp-. (4.11) No kT Конструкция такого источника может состоять из прямонакального вольфрамового керна, выполненного из ленты. На ленту помещают запас щелочного металла или соединения его в виде соли. Обычно на поверхности ионизатора наносят галоидную соль щелочного или щелочно земельного металла и получают либо поток положительных ионов Na+, Li+, K+, Cs+, либо поток отрицательных ионов галогенов F-, Cl-, Br-, I-. Обычно сначала создают регулируемый поток атомов, направляемых на нагретую сетку, где происходит ионизация. Например, при эмиссии ионов лития исходный материал помещают в танталовый тигель, который нагревается от электронно-лучевой пушки до температуры 543 К. Поток атомов лития после испарения ионизируется на рениевой сетке с большой поверхностью, нагретой до 1973 К. Для уменьшения расходимости пучка сетка имеет выпуклость в сторону тигля. Ионный пучок вытягивается с помощью экстрактора (диафрагмы с приложенным к ней потенциалом).

Ионные потоки из таких источников характеризуются очень малым энергетическим разбросом ионов (0,1- 0,3 эВ), отсутствием многозарядных ионов, относительной чистотой состава. Плотности тока в таких пучках невелики и составляют 10-3 - 10-4 А/см2.

Ионные источники с ионизацией электронным ударом Наиболее обширный класс источников основан на ионизации атомов под действием электронного удара в плазме разряда при различных способах его возбуждения. Примерами таких источников могут быть источники типа "Нира", пеннинговские, плазмотронные, дуговые, высокочастотные и др.

Источники с дуговым разрядом Ш ирокое распространение получили ионные источники с дуговым разрядом в парах рабочего вещества. Стабильность разряда обеспечивается наличием термокатода и применением внешнего магнитного поля. Упругость пара рабочего вещества регулируют температурой тигля с твердым наполнением в пределах 0,5 - 3 Па. Отличительная особенность этих источников - возможность отбора ионов со значительной площади, что позволяет создавать ионные пучки различной формы - ленточные, круглые, квадратные и т.д.

Ионный источник с дуговым разрядом в парах рабочих веществ Вольфрамовый стержень, разогретый электронной бомбардировкой при ускоряющей разности потенциалов между ними и термокатодом, эмитирует электроны. Электроны ускоряются в полости рабочей камеры, включенной как анод. Камера находится во внешнем магнитном поле с напряженностью Н. Это поле заставляет двигаться электроны вдоль магнитных силовых линий по спиральным траекториям, что существенно увеличивает число актов ионизации. В рабочую камеру подается поток паров или газа рабочего вещества. При давлении паров 1-3 Па внутри камеры возникает сильноточный дуговой разряд, плазма которого содержит определенную концентрацию ионов.

Ионно-оптическая система источника состоит из трех электродовдиафрагм в виде прямоугольных щелей. Они имеют некоторую кривизну в вертикальной плоскости, способствующую снижению расходимости пучка.

Основной ускоряющий электрод заземлён. Выходящий ионный пучок ускоряется до энергии, определяемой разностью потенциалов между основным электродом и ионизационной камерой. Промежуточный электрод служит для создания потенциального барьера электронам, стекающим из ионопровода, и компенсирует объёмный заряд ионного пучка. Этот электрод находится под отрицательным потенциалом от 2 до 5 кВ. Ток пучка пропорционален концентрации ионов в плазме разряда. Последующая магнитная сепарация позволяет получить моноизотопный пучок однозарядных ионов требуемого элемента.

Дуоплазмотрон Для увеличения концентрации зарядов можно использовать сужение канала разряда в сочетании с действием магнитного поля. Такая система называется дуоплазмотроном. Катод может быть холодным или нагретым - в зависимости от рода используемого газа. Дуоплазмотроны отличаются высокой газовой экономичностью (50 – 95 %) и могут создавать токи ионов от 0,25 до 700 мА. Типичная схема дуоплазмотрона изображена на рис.4.4.

Рис. 4.4. Конструкция дуоплазмотрона:

1- система напуска газа; 2- термокатод; 3- промежуточный электрод; 4- обмотка электромагнита; 5- область начального зажигания разряда; 6- анод;

7- изолятор; 8- вытягивающий электрод; 9- выход ионного пучка; 10- тугоплавкая вставка; 11- корпус.

Pages:     | 1 |   ...   | 16 | 17 || 19 | 20 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.