WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 20 | 21 || 23 | 24 |   ...   | 27 |

Металлы характеризуются высокой скоростью отжига радиационных дефектов. Поэтому даже при комнатной температуре аморфизации металлов практически не происходит. Тем не менее структурные превращения третьего типа (кристалл-кристалл) в условиях ионной бомбардировки оказываются весьма вероятными.

При облучении металлических поликристаллических пленок может происходить изменение преимущественной ориентации зерен, причем обычно получаемые структуры ориентированы по наиболее плотно упакованным направлениям параллельно ионному пучку. Это можно объяснить тем, что в плотно упакованном направлении наилучшим образом осуществляется каналирование ионов, поэтому удельные энергетические потери минимальны. В областях с другой ориентацией потери выше, и при торможении ионов в них происходит расплавление материала (тепловой пик). В этих условиях области с благоприятной ориентацией (есть каналирование, нет расплавления) будут играть роль центров кристаллизации, то есть затравок, на которых происходит рост кристалла.

Очевидно, что некоторый вклад в изменение ориентации зерен на поверхности поликристалла может вносить также процесс ионного распыления. Так как коэффициенты ионного распыления для разных граней различны, то кристаллики с неблагоприятной ориентацией будут быстрее распыляться, и поверхность будет обогащаться кристалликами с такой ориентацией, которой соответствует минимальная скорость распыления.

Кроме того, как показали структурные исследования, ионное облучение может приводить к перестройке решетки. Если облучению подвергается металл с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой, то возможен переход к более плотноупакованным решеткам - гранецентрированной кубической (ГЦК) или гексагональной плотноупакованной (ГПУ).

Интересно, что ионным облучением можно получить гексагональное железо и никель, гранецентрированные кобальт, титан, ванадий, чего не удавалось добиться в области нормальных давлений и температур другими методами.

Полученные таким способом (в неравновесных условиях) кристаллы оказывались метастабильными, их нагрев приводил к восстановлению исходной структуры.

Для некоторых комбинаций ион-металл при имплантации больших количеств примеси (5 - 10 %) образуются некристаллические сплавы, для которых характерна аморфная, стеклообразная структура. Примерами таких систем являются W-Cu, Ta-Cu, B-Ni, P-Ni (первым указан сорт имплантированных ионов). Такие метастабильные сплавы могут быть достаточно устойчивыми.

Материалы с неметаллическим типом электропроводности ведут себя под действием облучения по разному. Наблюдается как аморфизация кристаллических, так и кристаллизация аморфных веществ. Очень грубо поведение того или иного материала под действием ионной бомбардировки можно предсказать, зная температуры плавления Тпл и кристаллизации Ткр, где Ткр - нижняя граница температурного интервала, в котором идет процесс кристаллизации. При Ткр/Тпл < 0,3 кристаллические вещества проявляют радиационную стойкость, а аморфные кристаллизуются. При Ткр/Тпл > 0,происходит аморфизация кристаллов. Конечно, такой критерий очень груб, так как не учитывает другие (помимо тепловых) радиационные дефекты, а поэтому пользоваться им надо с осторожностью. Так, например, для Ge и Si Ткр/Тпл = 0,6 и при ионной бомбардировке должна происходить их аморфизация. Однако из экспериментов известно, что ионы Не при комнатной температуре не аморфизуют кремний. Увеличение температуры мишени во время бомбардировки приводит к тому, что ионы все больших масс теряют способность переводить Ge и Si в аморфное состояние.

Критические температуры Ткрит, выше которых, облучая даже тяжелыми ионами, не удается аморфизовать эти кристаллы, равны 600 К для германия и 700 К для кремния. Очевидно, что отсутствие аморфизации при Т > Ткрит является следствием того, что термический и радиационно-стимулированный отжиг дефектов позволяют поддерживать монокристаллическое состояние образца. Радиационно-стимулированные процессы оказывают значительное влияние и на закономерности восстановления кристаллической решетки. Так, например, при непрерывной бомбардировке ионами аргона удается снизить температуру кристаллизации аморфного Ge на 150-200 градусов по сравнению с температурой кристаллизации в отсутствие облучения.

Еще одно интересное явление, получившее название эффекта больших доз, было обнаружено для кремния. Оно состоит в том, что при бомбардировке ионами Р, В, Аs приповерхностный слой Si сначала аморфизуется, а затем снова кристаллизуется. За повторную кристаллизацию ответственны три фактора: нагревание кристалла ионным пучком, радиационно-стимулированные процессы и снижение температуры кристаллизации при накоплении в приповерхностном слое примеси.

4.7.2. Ионный синтез, Ионная металлургия, Ионная эпитаксия Пусть в мишень, состоящую из атомов В, имплантировано большое количество ионов А. Если в природе при нормальных условиях существует соединение АВ, то естественно ожидать, что в результате имплантации такое вещество будет синтезировано, по крайней мере, в виде отдельных зерен (вкраплений). Создание соединения в результате ионной бомбардировки будем в дальнейшем называть ионным синтезом.

Интерес, проявляемый к ионному синтезу в настоящее время, обусловлен рядом его достоинств как технологического метода создания тонких слоев химических соединений. К числу этих достоинств относится возможность обеспечить высокую чистоту ионного пучка при использовании масс-сепараторов; контроль количества и глубины внедрения имплантируемого элемента; получение "захороненных" слоев синтезируемого вещества. Ионным синтезом можно создавать защитные пленочные покрытия, изолирующие слои при изготовлении интегральных схем, антикоррозионные покрытия, световоды и т.п.; синтезировать сверхпроводящие материалы.

Ионный синтез перспективен при изготовлении полупроводниковых структур на основе тройных соединений, например GaPAs, GaAlAs и др.

Тонкие слои таких соединений могут быть получены внедрением ионов Р или Аl в GaAs. Эти тройные соединения замечательны тем, что изменение состава (увеличение доли фосфора или алюминия) сопровождается изменением энергетической зонной структуры и, в частности, ширины запрещенной зоны.

Синтез нового соединения в общем случае происходит через образование молекулярных комплексов, накопление которых по мере увеличения дозы и приводит к желаемому результату. Очевидно, что для создания нового вещества внутри исходного требуется некоторая энергия активации, так же как для аналогичной химической реакции в газовой фазе.

В твердой фазе синтез затруднен из-за наличия близко расположенных соседних атомов, которые препятствуют возникновению новой структуры.

Таким образом, создание новой структуры должно идти через стадию, на которой все атомы находятся не в исходных и не в конечных состояниях, т.е.

через стадию "беспорядочного" расположения. Поэтому синтез, повидимому, должен идти преимущественно в тепловых пиках, так как именно в них за счет высокой температуры имеются условия для перестройки пространственного расположения атомов и образования новых молекулярных комплексов. Очевидно также, что наиболее вероятной областью синтеза является область перекрытия профилей распределения внедряемой примеси и радиационных дефектов.

Механизм ионного синтеза в изолированных тепловых пиках предполагает неупорядоченное расположение зародышей новой фазы. Кроме того, как и при обычной имплантации, в облучаемой матрице создается большое число радиационных нарушений. Поэтому для завершения процесса получения нового материала необходим высокотемпературный отжиг. При отжиге структура новой фазы упорядочивается, и происходит увеличение занимаемого ею объема.

Ионный синтез может идти и по другой схеме. Сначала имплантацией приготавливают близкую к стехеометрическому составу смесь. Затем при высокотемпературном прогреве за счет диффузии и химических реакций в твердой фазе проводят собственно синтез нового соединения.

Другой класс веществ, создаваемых ионной бомбардировкой, - твердые растворы и сплавы. Приготовление сплавов и твердых растворов ионным внедрением является особым научно-техническим направлением, которое может быть названо ионной металлургией. Как показывает практика, ионной имплантацией удается создавать не только равновесные сплавы, изготовление которых возможно обычными металлургическими способами, но и новые, метастабильные, сплавы. Примером является сплав AgCu, приготавливаемый имплантацией ионов Ag в медь. При температурах ниже 300 градусов Цельсия практически все атомы серебра (исследования проведены до концентрации 17 ат.%) находятся в узлах решетки. Иными словами, положения атомов Ag и Cu в пространстве эквивалентны, т.е. такой "пересыщенный твердый раствор" является раствором замещения. При температуре выше 310 градусов Цельсия этот раствор замещения распадается.

Известно, что элементы с одинаковым типом кристаллической решетки образуют непрерывный ряд твердых растворов только при малых отличиях между атомными радиусами (в пределах 15 % ) и электроотрицательностями компонентов. Для ионной металлургии эти критерии оказываются менее жесткими. Метастабильные сплавы замещения образуются при ионной имплантации, если радиус атомов имплантируемой примеси лежит в пределах 85-140 % радиуса атома растворителя, а их электроотрицательности отличаются менее чем на 0,7. Ясно, что менее жесткие правила - следствие неравновесности процесса имплантации. Одной из причин этого является, в частности, возможность так называемых замещающих столкновений, т.е.

столкновений, когда ион на излете еще выбивает атом из узла решетки, а сам уйти из этого узла из-за недостатка энергии уже не может и остается в нем.

Очевидно, что замещающие столкновения особенно вероятны при небольших различиях между массами атомов мишени и ионов. Именно замещающими столкновениями объясняется то, что при имплантации небольших (до 1 % ) концентраций вольфрама и тантала в медь образуются метастабильные растворы замещения W-Cu и Ta-Cu, хотя в обычных условиях эти атомы несмешиваемы (дальнейшее увеличение концентрации W или Та в меди сопровождается переходом сплава в аморфное состояние ).

Как уже отмечалось, когда коэффициент ионного распыления мал, при имплантации могут быть достигнуты концентрации примеси, сравнимые с концентрацией атомов в матрице и даже практически равные ей.

Пересыщенные растворы имплантируемой примеси в облучаемой матрице могут быть получены при существенно менее жестких условиях, причем концентрация примеси может превышать предел растворимости на несколько порядков. Если температура мишени во время облучения или при последующем отжиге достаточно велика для того, чтобы была возможна миграция внедрившихся частиц, то приготовленный ионной имплантацией метастабильный твердый раствор распадается с выделением одной или нескольких новых фаз.

Одним из применений ионов в технологии является ионная эпитаксия. С помощью ионных пучков низких энергий можно наращивать на твердых подложках монокристаллические пленки материалов аналогично тому, как это делается при использовании атомных пучков. Преимуществами такой ионной эпитаксии является возможность очистки ионного пучка с помощью масс - сепаратора, хорошая адгезия пленок, более высокие, чем при термическом напылении, плотность и совершенство структуры приготавливаемых пленок.

Механизм получения плотных бездефектных пленок состоит в следующем. Если энергии ионов Е = 20 - 50 эВ, то такой энергии, с одной стороны, недостаточно для образования дефектов, а с другой - может вполне хватить для обеспечения миграции вакансий из объема к поверхности. За счет передачи импульсов от ионов в глубь наращиваемой пленки будет происходить ее своеобразное "утрамбовывание", что и обеспечит уменьшение в объеме пленки концентрации вакансий, дислокационных петель вакансионного типа, микропор. Отметим также, что ионной бомбардировкой при наращивании пленок можно видоизменить процесс их роста и получить пленки с особыми свойствами. Во-первых, при бомбардировке увеличивается адгезия пленок, во-вторых, на начальной стадии зародышеобразования вследствие радиационного воздействия на матрицу увеличивается число центров конденсации, что обеспечивает более равномерный (по поверхности) рост пленки. Наконец, ионная бомбардировка способствует слиянию отдельных "островков", в результате чего сплошная пленка образуется при существенно меньших толщинах, чем в случае обычного термического напыления. Применение ионной бомбардировки позволило, в частности, получить углеродные пленки с особыми свойствами, которые были названы алмазоподобными.

Контрольные вопросы Какие типы структурных превращений возможны при бомбардировке твердого тела ионами Каковы особенности структурных превращений при ионной бомбардировке металлов Приведите примеры образования метастабильных (неравновесных) структур в металлах при ионной бомбардировке.

В чем особенности структурных превращений в материалах с неметаллическим типом проводимости В чем суть ионного синтеза Рассмотрите механизмы процесса ионного синтеза.

Приведите примеры применения процессов ионного синтеза.

В чем особенности получения сплавов и твердых растворов при ионной бомбардировке Рассмотрите механизм образования пересыщенных твердых растворов.

В чем преимущества процесса ионной эпитаксии Сформулируйте механизм получения плотных бездефектных пленок при осаждении из ионного пучка.

4.8. ИОННОЕ РАСПЫ ЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 4.8.1. Физика процессов распыления материалов при ионной бомбардировке Направленный на твёрдые тела ускоренный пучок ионов способен разрушать их, при этом возникает эмиссия атомов. Эмиссию частиц вещества под действием ионной бомбардировки принято называть ионным распылением или катодным распылением, что исторически связано с наблюдаемым разрушением катодов в газоразрядных приборах.

Первые модели, пытавшиеся объяснить распыление вещества, опирались на механизм термического испарения атомов с поверхности, нагретой до температуры испарения ионной бомбардировкой. В такой теории «локального разогрева» предполагалось, что катодное распыление есть результат испарения вещества из области, нагревающейся в месте удара бомбардирующего иона за счёт его кинетической энергии. Однако термические теории распыления материалов не согласуются с экспериментальными результатами по распылению различных материалов.

В настоящее время общепризнанным является импульсный (нетермический) механизм разрушения поверхности твёрдых тел под действием ионной бомбардировки. В этом случае происходит обмен импульсами при столкновениях бомбардирующего иона с атомами решётки и атомов решётки между собой.

Теория ионного распыления основана на предположении о парных упругих столкновениях. Для того чтобы атом оторвался от поверхности, ему должна быть сообщена энергия, превышающая энергию связи атома с поверхностью твёрдого тела. Следовательно, существует пороговая энергия Епор, сообщаемая поверхностным атомам и равная энергии связи поверхностных атомов. Пороговая энергия распыления связана с энергией сублимации соотношением 1+ µ ( ) Епор = Есуб, (4.19) µ где µ = М2/М1 приведенная масса.

Pages:     | 1 |   ...   | 20 | 21 || 23 | 24 |   ...   | 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.