Модель импульсной ионной имплантации из лазерной плазмы с многозарядными ионами

Г. А. КИСЕЛЕВ, А. Г. ГНЕДОВЕЦ, В. Ю. ФОМИНСКИЙ,

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

МОДЕЛЬ ИМПУЛЬСНОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ ИЗ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ ИОНАМИ

Разработана компьютерная модель, описывающая динамику во внешнем электрическом поле импульсной лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы. Модель позволяет проводить расчет энергетического спектра имплантируемых ионов в зависимости от свойств плазмы, времени включения и временной эволюции ускоряющего высоковольтного импульса.

В работе проведено усовершенствование математической модели [1], описывающей импульсную имплантацию ионов с использованием лазерной плазмы из однозарядных ионов. Для описания разлета лазерной плазмы с многозарядными ионами во внешнем электрическом поле применялся метод «частиц в ячейках» (Particle-in-Cell или PIC). Описание физических процессов в плазме методом PIC сводится к совместному решению уравнений движения электронов и ионов из некоторой представительной выборки из полного числа частиц плазмы и уравнения Пуассона для потенциала самосогласованного электрического поля, рассчитываемого на узлах пространственной сетки. В качестве начальных условий, характеризующих свойства плазмы, использовались результаты измерений времяпролетных спектров ионов плазмы при ее свободном разлете в вакууме, которые подвергались математической обработке по методике [2]. Такие измерения позволяли определить ионную температуру, концентрацию ионов различной зарядности и их массовую скорость.

На рис. 1 приведена расчетная динамика импульсной плазмы, содержащей одно - и двухзарядные ионы титана. Такая плазма может быть получена наносекундным лазерным воздействием на титан с плотностью энергии ~ 5 Дж/см2. Импульсное электрическое поле включалось через 0,5 мкс после лазерного импульса. Форма модельного высоковольтного (ВВ) импульса соответствовала реальному импульсу. Амплитуда напряжения составляла 50 кВ. Двухзарядные ионы двигаются на фронте плазмы и первыми попадают в область положительного пространственного заряда, возникающую через некоторое время после включения поля. В этих условиях ионы Ti2+ формируют ионный пучок, как на стадии нарастания импульса, так и в фазе, соответствующей максимальным значениям ускоряющего напряжения. По этой причине в энергетическом спектре имплантируемых ионов возникает составляющая с энергией близкой к 100 кэВ (рис. 2). Увеличение задержки между лазерным и ВВ импульсом полностью изменяло физическую картину. Так при задержке, равной 1,5 мкс, плазма распределялась в межэлектродном пространстве до включения ВВ импульса, а после включения ВВ импульса практически все двухзарядные ионы «вытягивались» из плазмы на стадии нарастания напряжения. В результате их вклад в энергетическом спектре оказывался не
столь заметным, как при малой задержке (рис. 2).

Рис. 1. Пространственное распределение компонентов плазмы при разлете от мишени (х = 0) к подложке (х = 8 см) в импульсном электрическом поле, включаемом через 0,5 мкс после лазерного импульса

(а) (б)

Рис. 2. Энергетическое распределение ионов, имплантируемых из лазерной плазмы в случае включения ВВ-импульса через 0,5 (а) и 1,5 мкс (б) после лазерного импульса

Модель позволяет прогнозировать технологические режимы ионной имплантации при изменении свойств плазмы и параметров высоковольтной системы питания.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (-офи).

Список литературы

1. Неволин  В. Н. и др. Экспериментальные исследования и моделирование имплантации ионов из импульсной лазерной плазмы в импульсных электрических полях. ЖТФ. 2005. Т.75. Вып.6. С.32-37.

2.  Krása J. et al. Time-of-flight profile of multiply-charged ion currents produced by a pulse laser. Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. Vol. 47. P..