Ионно-лучевое смешивание
Смешивание ионным пучком — это смешение и сплавление атомов, которое может происходить на границе раздела двух разных материалов во время ионного облучения. [1] Он применяется как процесс склеивания двух многослойных материалов, особенно подложки и осажденного поверхностного слоя. Этот процесс включает бомбардировку слоистых образцов дозами ионного излучения для ускорения смешивания на границе раздела и обычно служит средством подготовки электрических переходов, особенно между неравновесными или метастабильными сплавами и интерметаллическими соединениями. для ионной имплантации Для смешивания ионных пучков можно использовать оборудование .
Механизм
[ редактировать ]Уникальные эффекты, возникающие в результате смешивания ионных пучков, в первую очередь являются результатом баллистических эффектов; то есть падающие ионы обладают высокой кинетической энергией , которая передается атомам мишени при столкновении. Энергии ионов могут составлять порядка от 1 кэВ до 200 кэВ. При ускорении энергия таких ионов достаточно высока, чтобы разорвать внутри- и особенно межмолекулярные связи и инициировать перемещения внутри атомной решетки . Последовательность столкновений известна как каскад столкновений .Во время этого баллистического процесса энергии падающих ионов смещают атомы и электроны материала мишени на несколько узлов решетки, что приводит к перемещениям там и перемешиванию границ раздела в пограничном слое. (Обратите внимание, что энергии должны быть достаточно высокими, чтобы перестройки решетки были постоянными, а не проявлялись как простые колебательные реакции на падающее излучение, т.е. кинетические энергии должны быть выше пороговой энергии смещения материала.) Если энергии сохраняются в достаточной степени Таким образом, по сравнению с традиционными процессами имплантации с высокими дозами, имплантация баллистических ионов дает более высокие внутрипленочные концентрации сплава при более низких дозах облучения по сравнению с обычными процессами имплантации.
Анализ
[ редактировать ]Степень перемешивания пленки зависит от массы ионов, интенсивности любого падающего ионного луча и продолжительности воздействия ионного луча на мишень. Степень смешивания пропорциональна квадратным корням из времени, массы и дозы ионов. [2]
При температурах ниже 100 °C для большинства имплантированных материалов перемешивание ионным пучком практически не зависит от температуры, но по мере повышения температуры выше этой точки перемешивание возрастает экспоненциально с температурой. Эта температурная зависимость является проявлением падающих ионных пучков, которые эффективно передают барьерному слою энергию активации, зависящую от вида мишени. [3]
Смешение пучком баллистических ионов можно разделить на два основных подтипа: смешивание отдачи и каскадное смешивание, которые происходят одновременно в результате ионной бомбардировки. При смешивании с отдачей атомы перемещаются в результате одиночных столкновений . Смешение отдачи преимущественно наблюдается под большими углами в результате мягких столкновений, при этом количество атомов, подвергающихся имплантации отдачи, изменяется линейно в зависимости от дозы ионов. Однако имплантация отдачи не является доминирующим процессом при смешивании ионным пучком. Большинство перемещенных атомов являются частью каскада столкновений , в котором отброшенные атомы инициируют серию смещений решетки с более низкой энергией, что называется каскадным перемешиванием. [3] Смешение ионных пучков может быть дополнительно улучшено за счет тепловых пиков. эффектов [4]
Смешение ионов (IM) по сути аналогично взаимной диффузии, поэтому большинство моделей смешивания ионов включают эффективный коэффициент диффузии, который используется для характеристики толщины прореагировавшего слоя как функции имплантации ионного пучка в течение определенного периода времени. [3]
Диффузионная модель не учитывает смешиваемость подложки и слоя, поэтому для несмешивающихся или слабосмешивающихся систем она будет завышать степень смешивания, а для сильносмешивающихся систем модель будет недооценивать степень смешивания. Термодинамические эффекты также не учитываются в этом базовом уравнении взаимной диффузии, но их можно смоделировать с помощью уравнений, которые учитывают энтальпии смешения и мольные доли целевых частиц, и таким образом можно разработать термодинамический эффективный коэффициент диффузии, отражающий температурные эффекты (которые становятся ярко выраженными). при высоких температурах).
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]Преимущества смешивания ионным пучком как средства синтеза по сравнению с традиционными способами имплантации включают способность этого процесса производить материалы с высокими концентрациями растворенных веществ с использованием меньшего количества облучения, а также лучший контроль изменения ширины запрещенной зоны и диффузии между слоями. [3] [5] Стоимость IM также менее высока, чем стоимость других способов подготовки пленок на подложках, таких как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE).
К недостаткам относится неспособность полностью направлять и контролировать смещения решетки, возникающие в процессе, что может привести к нежелательной степени беспорядка в ионно-смешанных образцах, что делает их непригодными для применений, в которых точное упорядочение решетки имеет первостепенное значение. Ионные пучки не могут быть идеально направлены или управлять каскадом столкновений, поскольку распространяются эффекты интермодуляций, что может привести к утечке, дифракции электронов , усиленной радиацией диффузии (RED), химической миграции и несоответствию. [6] Кроме того, все образцы со смешанными ионами должны быть отожжены.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Взаимодействия ион-твердое тело, серия Cambridge Solid-State Science, глава 11, стр. 295.
- ^ Б. М. Пейн и Р. С. Авербак, Смешение ионного пучка: основные эксперименты, Nucl. Инструмент. Методы Физ. Рез. Б 7/8, 666 (1985)
- ^ Jump up to: а б с д Настаси, Майкл (17–29 июля 2004 г.). «Ионно-лучевое смешивание» (PDF) . Радиационные эффекты в твердых телах . Эриче, Сицилия, Италия: Национальной лаборатории Лос-Аламоса Отделение материаловедения и технологий . Проверено 2 мая 2007 г.
- ^ К. Нордлунд, М. Гали и Р. С. Авербак (1998). «Механизмы ионно-лучевого смешения в металлах и полупроводниках». Дж. Прил. Физ . 83 (3): 1238–1246. Бибкод : 1998JAP....83.1238N . дои : 10.1063/1.366821 .
- ^ Абедраббо, С.; Арафа, Делавэр; Гёкче, О.; Велюньский, Л.С.; и др. (май 2006 г.). «Ионно-лучевое смешивание для обработки наноструктурных материалов» . Журнал электронных материалов . 35 (5): 834–839. дои : 10.1007/BF02692536 . S2CID 98541376 . Проверено 2 мая 2007 г.
- ^ Абедраббо, суфий; Арафа, Делавэр; Салем, С. (май 2005 г.). «Ионно-лучевое смешивание тонких пленок кремния и германия» . Журнал электронных материалов . 34 (5): 468–473. дои : 10.1007/s11664-005-0053-1 . S2CID 95064618 . Проверено 2 мая 2007 г.