Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию методом численного моделирования процессов взаимодействия ускоренных ионої аргона с энергиями от 40 эВ до 8 кэВ с тонкими монокристаллическими пленками кремния и нитрида бора.
Актуальность работы
Вопросы взаимодействия быстрых атомных частиц с монокристаллами приобрели в последние годы большое значение благодаря использованию ионных пучков для направленного изменения свойств материалов и диагностики поверхности твердого тела, а также в связи с проблемами разрушения конструкционных материалов многих плазменных прибороз. Вследствие значительных трудностей, возникающих при решении задачи взаимодействия ускоренных ионов с атомами решетки, основным теоретическим методом решения как фундаментальных, так и прикладных задач является метод математического моделирования, позволяющий выявить и изучить отдельные механизмы явления, ь также найти общие закономерности, -необходимые для создания теории процесса взаимодействия ионов с поверхностью.
Ранние компьютерные исследования ограничивались, в основном, изучением процесса распыления шютноупакованннх структур с помощью модели бинарных взаимодействий. С развитием вычислительной техники и возможностей использования машин с большой, памятью и высоким быстродействием целесообразно стало применение метода численного моделирования, основанного на модели молекулярной
динамики, более адекватной физической реальности и дающей лучшее согласие с экспериментом. Представляет интерес исследование с помощью метода молекулярной динамики характеристик и механизмов распыления для материалов с алмазной и гексагональной решетками, важных с точки зрения практического применения. Такими материалами являются кремний (алмазная решетка), который составляет основу различных изделий микроэлектроники, а также нитрид бора (гексагональная решетка) - перспективный высокотемпературный изолирующий материал, например, для установок термоядерного синтеза. Помимо нитрида бора с гексагональной решеткой в плазменных установках предполагается использовать ромбоэдрическую модификацию нитрида бора, имеющую рекордный коэффициент теплопроводности.
В связи с этим интересно провести численный расчет процессов взаимодействия ионных пучков с мишенями из кремния и нитрида бора и получить количественные данные как для коэффициентов распыления, так и для углового и энергетического распределений распыленных частиц.
Цель работы
1. Методом численного моделирования на основе динамичес
кой модели блока атомов рассчитать коэффициенты распыления,
»
а также энергетические и угловые распределения атомов мишени, распыленных с бомбардируемой поверхности и напрострел.
-
Выполнить расчеты методом численного моделирования коэффициентов отрахекия и прохождения бомбардирующих мишень ионов, а также их энергетических и угловых распределений.
-
Прово ста расчеты вышеуказанных характеристик для од-
но- и двухкомпонентной кристаллических структур, а также для их различных модификаций.
4. Сопоставить результаты расчетов, полученные методом Численного моделирования, с результатами аналитической . теории и эксперимента.
Научная новизна работи
Методом численного моделирования на основе модели молекулярной динамики впервые проведено комплексное исследование процессов, происходящих при взаимодействии ионов с монокристаллами креііния, а также нитрида бора гексагональной и ромбоэдрической модификаций.
Рассчитаны интегральные и дифференциальные характеристики распыления бомбардируемой поверхности и распыления надросле л, а тагсже отражения и прохождения ионов аргона для тонкой пленки 31(111) в инервале первичных энергий ионов Е0 = 0.04 + 8.0 кэВ и для тонких пленок гексагонального и ромбоэдрического ВЖ0001) в интервала первичных энергий ионов Efl= 0,3 + 4 кэВ.
Проведено сопоставление результатов, полученных методом численного моделирования на основе модели молекулярной динамики, с результатами аналигических расчетов и экспериментальными данными.-
Выявлены основные механизмы распыления бомбардируемой поверхносп» и распыления напрострел, характерные для алмазной решетки Si(111) и гексагональной и ромбоэдрической решеток ВЩ0001). Установлено, что основной вклад в распыление обеих модификаций нитрида бора дают атомы, распыл' тные из первых двух слоев мишеней.,
Найдено, что в интервале первичных энергий Е0 = 0.08 + 0,2 кэВ, происходит каналирование вдоль рядов. <П0> бомбардирующих грань монокристалла кремния ионов аргона.
Обнаружены особенности взаимодействия ускоренных ионов с двухкомпонентным материалом - нитридом бора. Установлено, что ъ интервале начальных энергий ионов аргона EQ-= 0,3 + 4 кэВ ромбоэдрический нитрид бора распнляется сильнее, чем гексагональный. Для обеих модификаций нитрида бора наблюдается преимущественное распыление с бомбардируемой повэрхности атомов бора и преимущественное распыление напрострел атомов азота.
Научная и практическая ценность работы Полученные результаты численных расчетов интегральных и дифференциальных характеристик распыления бомбардируемой поверхности и распыления напрострел пленок кремния и нитрида сора и прохождения через них ускоренных ионов аргона могут быть полезными в систематизации пока еще разрозненных данных по кзучэяим взаимодействия конов с монокрйсталлическими пленками. Si(TII), для которого были произведены расчеты, является одним из основных материалов микросхем нового поколения. Поэтому представляется важным всестороннее и системное изучение характеристик его распыления и легирования ионными пучками. Рассчитанные интегральные и дифференциальные характеристики распыления диэлектрика с уникальными свойствами - нитрида бора двух модификаций -являются ценными и могут быть включены в общий банк данных по'' изучению закономерностей распыления поверхностей матеїиаі^в, предлагаемых для использования в термоядерных
установках, а также для устройств космической техники.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Анизотропия угловых распределений прошедших через' (111, ,1 - пленку ионов аргона в интервале начальных энергий Е0= 0,08 + 0,2 кэВ обусловлена каналированием бомбардирующих ионов вдоль направлений <П0> монокристалла кремния, а з интервале начальных энергий Е= 0,4 + 8 кэВ преимущественным прохождением бомбардирующих ионов вдоль направления ШІ) монокристалла кремния.
-
Распыление напрострел атомов из (111)31-пленки при бомбардировке ее ускоренными ионами аргона с начальники энергиями Е0= 0,04 + 3 кэВ происходит в результате распространения фокусированных соударений вдоль рядов <110>, действия несимметричных поверхностных линз на атомы, выходящие в направлении till] и распыления атомов при сильных столкновениях, а также в ряде случаев благодаря каналированию смещенных атомов в направлениях <1Ю> и 111].
-
В исследованном диапазоне первичных энергий ионов аргона Е0= 0,3 * 4 кэЬ коэффициент распыления ромбоэдрического нитрида бора превышает коэффициент распыления гексагонального нитрида бора, причем с возрастанием энергии первичных ионов это различие увеличивается. Наблюдается преимущественное распыление атомов бора с бомбардируемой грани (0001 )Ш-пленки для обеих модификаций.
4. Распыление нитрида бора при бомбардировке ускоренными
ионами аргона с начальной энергией Е0 = 0,3 + 4 кэВ происхо
дит в результате вылета атомов, в основном, из первых двух
слоев мишени. Анизотропная кэртина' распыления в угловых
распределениях (0001 )ВЫ-пленок образуется вследствие преимущественного вылета из первого слоя мишеней атомов бора в трех из шести направлений <443> и <221> ^для гексагонального и ромбоэдрического нитрида бора, соответственно, и атомов азота в грех остальных направлениях для каждой модификации соответственно.
-
Картины пятен в угловых распределениях распыленных атомов бора обеих модификаций нитрида бора повернуты относительно картин распыления атомов азота на 60*
-
Энергия атомов, эмитированных из фронтальных граней гексагональной и ромбоэдрической (0001)ВЫ - пленок, меньше у атомов азота, чем у атомов бора, а для тыльных граней наоборот - меньше у атомов бора, чем у атомов азота.
Апробация результатов работы Оснозные результаты работы докладывались и обсуздались на И-й Всероссийской конференции по взаимодействию ионов с поверхностью, Москва, 1993; на 8-м Симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 1993; на 22-й Конференции по эмиссионной электронике, 1994 и опубликованы в работах [I-8).
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и содержит 120 страниц машинописного текста и 55 рисунков. Список литературы насчитывает 140 наименований.
