Введение к работе
Актуальность тепы. В последние годы интерес к проблеме вза-ейстзия ионных пучков с поверхностями твердых тел непрерывно возрастает. Прогресс в фундаментальных исследованиях механизмов разнообразные провесов, сопровождающих взаимодействие ионных пучков о поверхностью, обусловлен их важним значением "..ля таких областей науки и технологии как физика твердого тела, физика плазмы, физическая электроника, микроэлектроника, диагностика и модификация поверхности. Процессы кратного рассеяния и каналиррвания номов
ОреДНИХ (еДИЛИЦЫ И ДеСЯТКИ КЭй) И НИЗКИХ (менее I ['О коЗ) эне_ .'ИИ
и образования атомов отдачи объединяют одни и те жз механизмы упругих и неупругих взаимодействие и" toa с атомами твердого тела. К настояцему времени в результате исследования мих процессов накоплен об"'ирный экспериментальный и теоретический материал.
Исследование этих процессов не в последнюю очеред стимулируется уникальными аналитическими возможностями развиваемых на их основе методоз диагностики поверхности. В частности, кратное рассеяние ионов и образование атомов отдачи при скользящем падении на поверхность открывают новые перспективы в исследовании ультратонких слоев вещества, при изучении сгр,,.;турц и топографии-реальных поверхностей твердых тел, в том числе с субмонослойными покрытиями или нарушениями атомного (^ІООА) и большего масштабов, обусловленными ионной бомбардировкой.
Весьма важном для новых субмик онны* технологий яв.мяется изучение изменений состава и структуры поверхностных слоев кристаллов в процессе v. после ионной бомбардировки. Исследования траекторий скользящего рассеяния, упругих и нзупругих потерь энергии ионов ваяны для объяснения особенностей процеї ;ов вторичной ионной, электронной и фотонной эмиссий, протекающих одновременно с ионным рассеянием.
Одними из наиболее перспективных являются развиваемые в последние годы исследования стимулированных ионной бомбардировкой изменений состава и структуры поверхностей сложных соединений. В этом напрат екни возможно обнаружение 1:„оьых механизмов рассеяния ионов л образования атомов отдачи, не наблюдаемых в случае одно-олеменгных мишеней. Возбуждаемые иониым пучком преимущественное распк::-зи"е и поверхность і сегрегация изменяют профиль состава и структуру, топки.-', слоев на поверхности и их исследование возмс.од, методами ионного рассеяния и образования атомов отдачи.
Образование атомов от/а чи лежит в оон:?.е механизма послойнсіч распыле.іия поверхности и его исследование важно при разработке че~
-і,-
тодов ионной полировки поверхности и ее послойного анализа.
Hav :над значимость исследования процесса ханалирования ионов средних и низких анергий ъ тонких монокристаллах связана с необходимостью определения истинных значения пробегов к потерь энергии ионов кристаллах. Прикладные аоп .ты физики каналированил ненов низких онергий связаны с разработкой метода локальной ионной имплантации, необходимого при создании интегральных схем с большой и сверхбольшой степенью интеграции в технологиях 'микрсзлек-'існики.
Последние годы примечательны широким использованием я теории взаимодействия ионных пучков с поверхностью истодов математического моделирования на ЭВМ. Траектории ионов, испытывающих кратное рассеяние и каналирование на поверхности и в тонких кристаллах, сло.-'.ны и вктачаит ь себя большое число корредир ванных столкновений. В насточиее время это не позволяет рассчитывать на получение Аналитического регазния задачи и альтернативным подходом становится моделирование процессов рассеяния и каналнрования ионов и образования атомов отдачи с помоцьг, ^временных ЗЗі-і. Моделирование на сЗМ этих процессов необходимо как для диагностики поверхности, так и для оптимизации технологий, связанных с ее модификацией ионными пучками.
-Совокупность перечисленных научных и технических задач, возникших в связи о интенсивным развитием физики поверхности, новых методов ее диагностики и модификации потребовали к концу семидесятых и началу восьмидесятых годов существенного развития моделей рассеяния и каналированпя ионов и образования атомов отдачи применительно к реальным поверхностям и тонким кристаллам о субконо-слойными покрытиями и нарушенными ионной бомбардировкой, ото диктовалось как. необходимостью более глубокого понимания физических основ взаимодействия ионных пучков с поверхностью твердого тела,, так и техническими потребностями, связанными с развитием теоретических основ методов диагностики и контроля состава, структуры и состояния пгчерхностеР твердых тел и тонких пленок в процессах создания и.модификации, необходимых для технологии современной микрозлектроники.
Целью настоя'іцей работы явилось комплексное исследование закономерностей и механизмов кратного рассеяния и каналпрозан/.я ионов средних и низких энергий и образования атомов отдачи на поверхностях и в топь х слоях одно- и многокомпонентных кристаллов, подвергнутых ионной бомбардировке, выполнение -работы мотивировалось как необходимостью углубленного понимания отих явлений, так
и потребностью ь развитии теоретических основ методо», диагностики состаза, структури и состояния пеалг.ных поверхностей поли- и монокристаллов твердых тел и тонких кристаллов, нарушенных иокноіі бомбардировкой и с субмоноелойныии покрытиями.
Возможность установити взаимосвязь между структурой энергетического спектра и угловых распределения рассеянных ионов и атомов отдачи и уровнем дефектности реальной поверхности з атомном масштабе, как естественным, так я вОчіникавіцпи в процессе ионной м-бардкровки, явилась одичм из главных стимулов всего комплекса исследований, составивших содержание настоящее диссертации.
Основная часть расчетов, изложенных в диссертации, заполнена методом математического моделирования на ЭВМ.
Научная новизна работы. В работе выполнены комг ткеные исследования процессов рассеяния и каиалнрованил ионов средних л низких энергий '.і образования атомов отдачи на поверхностях и я тонких сдоях одно- и многокомпонентных крибгеллов как идеальных, так и реальных, предсказаны неизвестные ранее эффекты и получен ряд новых теоретических резул;.татов. В дис „-ртацки опертые:
1. Разработаны и созданы эффективные программ;-;, позволяющие дета-
.льно моделировать на ЭЗМ процессы кратного рассеяния и каналпрова-ния ионов и образован/я атомов отдачи на поверхностях > в тонких кристаллах, нарушенных ионной бомбардировкой.
-
количественно объяснены экспериментально наблюдаемые аномально высокие потери, онергип при скользящем рассеянии ионсз средних масс и энергий поверхностью монокристалла и определены вклады в них упругих и неупругих потерь анергии. Пока. ;но, что в области скользящего рассеяния, вопреки известному критерии Зейтца, нзупругие потери энергии ионоз существенно превышают упругие, что обусловлено обнаруженными особенностями траекторий поверхностного каьалирова-ния. Увеличение неупр/глх лої ерь энергии мокет быть причиной возрастания степени ионизации л возбуждения рассеянных частиц, коэффициентов тсричной исн.чой, электронной и фотонной эмиссий, сопровождающих скользяаее рассеяние исьов поверхностью монокристалла.
-
Для углов скольмения, меньших критичеокого угла Линдхарда, пс-лучелы простые ашлптич іииз соотношения, позволизпие объяснить экспериментально'наблюдаемую азимутальную анизотропию в интенсивности рассеяния атсмов поверхностью монокристалла. В условиях, сг-лнчных от ионной їокуоирсіки установлены области применимости моделей рассечннл на атомной цепочке, паре цепочек а поверхностной слое и в полука:*нл5г для о5'.^онйи;;я азьиутальнцП анизотропии ъ у.л~
-o-
тенсивностн рассеяния атомов поверхностью монокристалла. Установлена у рредяция между типом и размерами полуканалов, расположенных в различных кристаллографических направлениях и характером пространственных и энергетических распределения отраженных атомов, котоа ю можно испотьзовать для д; гностики поверхности. А. Разработаны и предложены ряд моделей рассеяния конов и образования атомов отдачи на поверхностях поли- и монокристаллов, нарушенных ионной бомбардировкой, с учетом наличия на них ин/"цирован-ных точечных дефектов ти і атомных ступенек, вакансия и их скоплении, на основе которых объяснено наблюдаемое экспериментально рассеяние в области тени. Установлена взаимосвязь.меиду типом дефекта на поверхности и блокировкой отраженного пучка, а также характером его энергетического спектра.
-
Исследовано влияние атомных ступенек различной высоты и пространственной протяженности, образуемых на поверхности монокристалла в процессе ионной бомбардировки, на характер траектории кратного рассеяния, угловые и энергетические распределения отраженных ионов. Разработаны соответствующие модели поверхности и идентифицированы типы траектории рассеяния, с помощью которых объяснены экспериментально измеренные энергетические спектры атомов, рассеянных на при^зарительно нарушенной ионной бомбардировкой поверхности монокристалла. Установлено, что скользяцее рассеяние ионов на поверхности монокристалла, содержащей атомные ступеньки, является подзеркальным, причем значительная часть ноноа испытывает каналлроза-ние в слое под ступенькой, застревает и накапливается в нем, а. часть пучка, отраженная в процессе деканалировачид, испытывает рассеяние на больше углы, вплоть до ІЄ00.
-
Детально исследован эффект цепочки для обратного соотношения масс сталкивающихся частиц. Показано, что в угловом распределении рассеянных частиц з этом случае наблюдается система п'лкоь, положение и4интенсивность которых очень чувствительны к межатомному расстояний в ;епочке, г также к углам падения и рассеяния частиц. Проведен анализ механизмов коррелированного кратного рассеяния конов поверхностями монокристаллов слодногс состава и .с субмо.чослой-ными покрытиями. Установлены типы траектории и объяснены особенно-сти в угловых и энергетических распределениях рассеянных ионов, обусловленные радужным эффектом и эффектом цепочки для обратного соотношения ME'jc сталкивающихся частиц. Показано, что кратное рассеяние ионов можно использовать для определения ближнего порядка
в упорядочивающихся сплавах, непрерывного контроля начальных ста-
~7-
дий адсорбции и идентификации адсорбционных структур на поверхности, а таккз для исследования: влияния стимулированных йоннсн бомбардировкой изменений э составе и структуре поверхности сложного соединение на характеристики рассеяния.
7. Разработана и предложена простая двухатомная модель рассеяния ионов порерхностьо поликристалла. 3 разках модели показано, что форма энергетического спектра тяжелых иоксг, рассеянных поверхностью поликристалла, яеляєтсл результатом усреднения по разлі пым ориентация:! атомной парь, а такае по паосгоянняи мекду атомами. Получены простые аналитические соотношения, на основе которых установлена, что после усреднения сечения двукратного рассеяния атомов на поликристалле по различна!! ориентациям микрокристаллов в энергетическом распределении, пемимо пика однократно' рассеяния выделяется также изолированный зысокоэнергетичеекпа пик двукратного рассеяния. По.-лзано. что лучшее соответствие с эксперипенталь-нс измеренными спектрами получается пр.1 учете на поверхности поликристалла дефектов структуры типи атомных ступенек, вакансия и их скоплений. Обнаружено, чте форма онерг гического спектра-рассеянных ионсв мскет служить для детектирования процессов изменения по-ликриста-іличесой структуры поверхности металла. 6. С гюмощьд восстановленного из эксперимента потенциа-а взаимодействия детально исследованы особенности механизмов рассеяния ионсв низких онергий поли- ь монокристаллами металлов в уоловиях усиления отражения ь элементарных атомных'ячейках на их поверхности. Выполнены расчеты коэффициентов отражения,' угловых и снергетичео-ких распределения и степени нейтрализа ли ионов «елочных металлов, рассеянных поверхность» тугоплавкого металла, в зависимости от их энергии, температуры и работы выхода мишени, нашедшие хорошее согласие с данниУ.п эксперимента. Показано, что сильная чувствительность степени нейтрализации к величине работы выхода может служить для ее определения в условиях ионной бомбардировки. 9. Исслел ганы механизмы образования Атомов отдачи, вылетающих в верхнюю полусдеру, при прямом и обратном соотношениях мазо сталкивающихся частиц как на идеальной, так и на нарушенной ионной бомбар^мроЕКой поверхи тях монокристалла. Показано, что при ионном облучении под скользящими углами, в условиях ловерхн.оотнего ка-налирозания возможно образование первично выбитых атомов отдачи и на идеально гладкой поверхности монокристалла 'за счет передачи атомам поверхностного слоя энергии, большей порога их распыления. Учет простейсих дефектов, образуемых па поверхности монокриота.:лА
в процесе ионной бомбардировки, позволил объяснить наблюдаемое експериментально образование атомов отдачи в области тени. U. Установлен механизм послойного распыления поверхности монокристалла ари облучении под скользящиг* углами и определены оптимальные условия для его осуществления, для реализации механизма послойного распыления необходимо, чтобы часть энергии ионов, соответствующая нормалвной составляющей" их скорости, была ниже порога распыления атомов слоя, следующего за поверхпостник. Показана возможность- испол ювания механизма послойного распыления для очистки и покирозки поверхностей и нанесения на них тонких покрытий. II. Исследованы траектории, пробеги, упругие и неупругие потери энергии тяжедых иснов низких энергий, каналируемых в тонких монокристаллах с гранецентрированной и алмазной решетками. Установлено, что в атом, случае, также .саг. и в случае легких ионоз высоких энергий, преобладающими в полных потерях энергии являются неупругие потери. Рассчитаны и объяснены профили распред іеиил каналирован-ных ионов в кристаллах, а также тонкая структура в угловых и энергетических распределениях ионов, каналирозанных на прострел через тонкие монокристаллы. Поь-.эана возможность определения меотспело-жени примесных атомові кристалле по угловым и энергетическим распределениям каналированных на прострел ионов.
Достоверность полученных в работе результатов и основательность сделанных выводов обеспечивались; -корректностью используемых приближений, -детальным характером и тщательностью проведенных расчетов, -учетом возможных погрьаностей и-воспроизводимостью результатов, -хорошпем согласием результатов расчетов с широкой совокупностью экспериментальных данных.
Практическая, значимость работы. Созданный комплекс элективных программ и результаты исследования процессов кратного рассея-. ия и каналирования ионов и образования атомов отдачи могут быть использованы для диагностики и модификации поверхности.
. В диссертации на основе детальных исследований коррелированного кратного рассеяния ионов поверхностьв монокристалла развиты и предложены способы малоуглочой ионио-рассеивательной спектроскопии (М11РС) для:
I. Определения v/сотч и пространственной протяженности атомных ступенек, образуемых на поверхности в процессе ионной бомбардировки, на основе сопоставления экспериментальных и расчетных энерге-
_.a_
тичеоких спектров рассеянных HOHCB.
2. Определения сорта и положения адатомов на поверхности монокристалла, непрерывного контроля цачлльных стадий адсорбции, а такие идентификации леї их компонентов на поверхности сложного соединения по пикам в угловых и окоргзти іеских распределениях при предельных углах рассеяния.
На основе установленного и исследованного механизма послойного распыления поверхности монокристалла при ионной бомбардировке под скользящими углами развит и предложен способ спектроскоп».., атомов отдачи (CAQ) для:
I. Послойного количественного ана^,.за кристаллических твердых тел, основанного на послолном распылении мишени и последующем масс-аналї. ) вторичных частиц. Повышение точности и чувствительности определения концентрационных распределения примеси в металлическом твердом теле достигается за счет существенного уменьшения ')-фектов образования кратера и, ионного перемешивания при бомбардировке под скользящими углами.
Ка основе исследованных закономерностей каналирования ионов низких онергкп з тонких монокристаллах развиты и предложены опосо-.бы ионной спектроскопии на прострел (ИСП) для: I. Определения сорта легких адэтомов и их положения на тыльной поверхности тонкого монокристалла'с использованием оффек \ пространственного 'Перераспределения пучіса- інал (роЕанных ионов и радукного эффекта, наблюдаемого при их рассеянии на предельный угол на ад-атомах.
. Определения микрораспределения атомов, внедренных в тонкие монокристаллы с помоцьи сопоставления экспериментальных и расчетных угловых /. энергетических распределения каналированных на прострел ионоз средних масс и энергии.
Совокупность полученных в работе результатов позволяет сформулировать суть научного направления: выявление и исследование ориентацпонных эффектоз в процессах рассеяния ионов и образования атомов от„ачп на поверхности и в тонких олсях кристаллов і' использование отих эффектов для совершенствования методов диагностики и контроля за состоянием и модификацией поверхнооти в процессе ионного с гучения и лри а^орбцик.
Задаваемые положения. I. Эффективные программы^ позволяющие детально моделировать ка ЭВМ процессы коррелированного краткого рассеяния и каналирььа-ния ионов средних і; низких энергия и образования атомов отдачи на
$
"8
&
"8
*
'В
"8
.g
-II-
и оптимальные условия для его осуцеотвлеьия. Утверждение о том, что при ионном облучении под скользяцмк углами в ус-лвиях поверхностного каналкрсвания образование первично выбитых атомов отдачи -происходит и на реально гладкой поверхности монокристалла за счет передачи атомам поверхностного о.-оя онергии, больй"2й порога их распыления.
Є. Вывод с тем, что при каналироэании тяжелых ионов средних и низких энергий з тонких монокристаллах, также как и в случае легких ионов высоких энергий, преобладающими в полных потерях являю зя неупругие потери энергия. Объяснение "чофилеЯ распределения кана-лирозанних ионов в тонких кр,;сталлх, а таете наблюдаемой экспериментально тогкЖі структуры в угловых и энергетических распределена " ионов, каналированных на прострел через тонкие монокриотал-лы с гранецектрированной и алмазной решетками. 9. Совокупность развитых методов диагностики локального соотав", структуры и состояния созерхенных и наруаенкых поверхностей кристаллов, л тог. числе с субчонослояными покрытиями» основанных на процессах кратного рассеяния и каналирозания ионов и образования атомов отдачи. Методы, позволяют опреде..лть высоту и пространственную протяженность атомных ступенек, образуемых на поверхности в процессе ионной бомбардировки, определять ближний порядок в упорядочивающихся сплавах,-идентифицировать сорт и положени" адатомов иа поверхности монокристалла, a tf ice .т">.гких компонентов на поверхности сложного соединения, осуществлять непрерывные контроль начальных стадий адсорбция на поверхности, а также послойный количественный анализ кристаллических твердых тел.
Апообация работы. Основные реэул гаты работы представлялись и докладывалась на Зой Международной, конференции по структуре поверхностей (Милуоки, CLA, I99Q), Ной и 12ой Европейских конференциях по исследовании поверхностей (Саламанка, Испания, 1390, Стокгольм, Ььеция, 1991), Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике (ХУ1 Махачкала, 1976, ХУІІ Ленинград, 1979, XIX Ташкент, 1964, XX іьв, 1957, XXI Ленинград, .991), Всесоюзных конференциях по взаимодействий атолных частиц с твердым телом (УІ Минск, 1951, УН Минск, 1984, УШ Москва, І9Є7, IX Москва, І9Є9, X Москва, ї"и). Всесоюзных симпозиумах по ззаимодейотзия атомных частки с поверхностью твердого тела, поозясеннц/ памяти У.Л. Арикова (Гаекзнт, 1979, 1989), Bcsco'cshttx ссведаниях-семинарах по диагностике повер::.іОС?;і ^Огіндаи пучками (.Донецк, 19бо, Запорожье, І963, Ужгород, І.Л.5, аоіієцк, 1968, Одесса, 199.1), Всесоюзных совещания/.
по /.311 і взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (XII-.!j, Москва, 1962-І955), 1-Х Всесоюзных семинарах по рассеянию атомных частиц поверхностью твердого тела (Фергана 1961, 1966, Сидкак 1982, I99J, "чмган 1963, 'нгрэн 196'», IS">, Ташкент 1965, Чирчик 1957, Термез 1966), Всесоюзном совещании по дефектам в кристаллах (Алма-Ата 1976), Всесоюзной конференции по диагностике поверхности (Каунас 1966), УІІ Всесоюзной конференции по «Іизике низкотемпературной плазмы (Ташект 1987) У и УІ Всесоюзных семинарах по вторичное ионной .. понпо-йотонной ьнисоки (Харьков 1986, 1991), 26оы Постоянном семинаре по моделировании на 23.'! радиационных и других дефектов (Ташкент 1966), Всесоюзной конференции "Поьерхкость-69 (Черноголовка 1969), научном семинаре кафедры '"из/.ки атомных столкновений в твердых телах" физического факультета Университета им. Гумбольдта (Берлин 1>9С;.
По теме диссертации опубликовано в соазторстзс более 60 печатных работ, в -той числе 2 монс рафии, одна і.- которых за рубежом, получено 2 авторских свидетельства СССР. Основной содержание работы отражзно в ЦО публикациях, перечисленных э концз автореферата.
Личный вклад автора. В диссертации представлен результаты исследойаний, выполненных автором, а также под е^о научны;.; руководством рядом сотрудников и аспирантов. Участие автора в постановке исследований, получении и обсуждении всех результатов, приведенных в диссертации, формулировании вазодов и закличения чвлк-лось непосредственны:.: и определявший* Частичное участие в постановке исследований и обсуждений результатов приняли З.С. Парилис и Н.Ю. Тураев.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержит 396' страниц, з том числе 236 страниц манинописного текста и 151 рпсу-пок. Список цитирован-->й литературы включает 396 наименовании.
