Основы взаимодействия заряженных частиц с диэлектрическими материалами (стр. 6 )

4. При имплантации тяжелых ионов, даже в области невысоких ( Е < 50 кэВ ) энергий, величина вклада АО в ионизацию, превышает вклад самих имплантируемых частиц не только в области максимума , но и в широком диапазоне глубин (рис. 2.5).

Рис.2.5. Зависимость неупругих потерь энергии для случая имплантации ионов с энергией 50 кэВ в ПММА: 1 – вклад имплантированных ионов, 2 – вклад атомов отдачи.

5. Моделирование методом МК позволяет рассчитать профиль ионизационных и суммарных потерь энергии не только по глубине мишени ( X – координата), но и перпендикулярно (Y) к направлению первоначального движения частиц. Это важно для задач ионно - лучевой литографии. При малых глубинах вся энергия выделяется вблизи трека. На глубинах 50 – 60 нм максимум потерь смещается от оси X, и энергия, достаточная для разрыва химической связи (типа - С=O, - С=С ), передается на расстояние d » 20 нм.

6. Распределение самих АО сильно различается в зависимости от массы имплантируемых частиц. При моделировании распределений АО в случае облучения легкими ионами профили С, O, H имеют явно выраженную отрицательную ассиметрию, и их концентрация вблизи поверхности невелика, что соответствует низкому значению коэффициента физического распыления . Расчет профилей АО, возникающих при моделировании имплантации ионов средней массы, дает существенно отличный профиль АО, характеризующийся большой их приповерхностной концентрации, что и соответствует высоким значениям

Таким образом, результаты представленных расчетов показывают существенный вклад АО как в процесс ионизации среды, так и в формирование радиационных дефектов. При использовании программы в режиме записи индивидуальных траекторий оказалось возможным получение спектров первично выбитых атомов.

2.4. Сравнение экспериментальных и теоретически рассчитанных профилей пространственного распределения ускоренных ионов в диэлектрических материалах.

К настоящему времени отмечается явно недостаточное количество экспериментальных данных по прецизионным измерениям параметров профилей пространственного распределения (Rp, ΔRp, γ, β) ускоренных ионов, имплантированных в ОМ. Это связано с рядом методологических трудностей их определения в ОМ [ ]. Отметим сразу, что надежных экспериментальных данных по величинам ассиметрии (g) и эксцесса (b) в литературе не имеется ввиду недостаточной разрешающей способности основных экспериментальных методов: ВИМС и РОР. Вторым важным аспектом, существенно осложняющим проведение корректного сравнения экспериментальных и расчетных результатов, является проблема учета дозовой зависимости траекторных параметров в современных программах. Наиболее известные программы реализации метода Монте-Карло − TRIM, SRIM дозовые зависимости не моделируют. Поэтому, для корректного сравнения экспериментальных результатов и теоретических расчетов по параметрам пространственного распределения ускоренных ионов необходимо, чтобы доза облучения была минимальной. В тоже время, каждый метод элементного анализа имеет минимальный порог чувствительности и, следовательно, имеет место нижнее ограничение по дозе внедряемых ионов. Для анализа распределения частиц, внедренных в полимерные материалы, проблема усложняется еще больше. Во-первых, как будет показано в главе 6, при ионном облучении наблюдается радиационная усадка полимеров, зависящая нелинейно от дозы облучения. Во-вторых, потеря легких компонентов приводит к изменению состава мишени уже при дозах порядка 1×1015 ион/см2. Все эти обстоятельства существенно затрудняют корректное проведение сравнения теоретически рассчитанных и экспериментальных результатов.

Можно считать, что первыми экспериментальными работами по определению параметров ППР ускоренных ионов в ОМ являются работы I. Adesida [1,7]. Методом ионно-лучевой литографии (ИЛЛ) здесь определена величина среднего пробега <R> для следующих ионов: H+, H2+, He+, Li+, Be+, B+, C+. Диапазон энергий: от 50 кэВ до 300 кэВ. В данном случае для всех ионов во всем диапазоне энергий выполняется условие: [dE/dx]e >> [dE/dx]n. Авторами также разработана компьютерная программа реализации метода МК: PIBER. Сама программа PIBER имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся: некорректная модель определения длины свободного пробега между столкновениями, упрощенный метод расчета угла рассеяния с использованием аналитических выражений для сечения рассеяния, а также модель неупругих потерь энергии. В целом отмечается неплохое согласие экспериментальных и теоретически рассчитанных значений <R>. Главное значение работ I. Adesida состоит в том, что они стимулировали развитие интереса к ионно-лучевой модификации ОМ. Что касается метода ИЛЛ, то можно отметить еще один существенный недостаток. Предельная глубина проявления, которая представляется как <R>, есть функция дозы облучения, и также зависит от используемого травителя. Поэтому, результаты по Rp, полученные данным методом следует сопоставлять с более корректными физическими методами анализа. Кроме того, определить величину DRp таким способом невозможно.

Систематические расчеты параметров профилей пространственного распределения ускоренных ионов в полимерах методом МК продолжены в работах Младенова [ - ]. Им проведено сравнение рассчитанных методом МК и определенных экспериментально значений <R> для некоторых ионов, имплантированных в ПММА. Результаты этой работы очень важны для последующего анализа соотношения расчетов и эксперимента и приведены в табл.2.4. Как следует из табл.2.4, в целом наблюдается удовлетворительное согласие эксперимента и теоретических расчетов для всех ионов за исключением Si2+. Некоторое удивление вызывают результаты, приведенные для ионов галлия. Обычно экспериментальные результаты для тяжелых ионов превышают расчетные. Здесь совершенно необходимо отметить следующее обстоятельство, которое может серьезно повлиять на надежность представленных результатов. Данные по пробегам ионов галлия и аргона получены методом ионно-лучевой литографии, которая дает корректные результаты по величине <R> только в том случае, если [dE/dx]e >> [dE/dx]n. Ясно, что как при имплантации ионов Ar+, так и при имплантации Ga+ это условие не соблюдается.

Таблица 2.4.

Экспериментально определенные и рассчитанные методом МК значения пробегов некоторых ионов в ПММА.

Ион	E, кэВ	<R>, Å	<DR>, Å	<Rэксп.>, Å
H+	40	4825	462	5200
H+	60	6499	525	10800
H+	100	9938	558	11200
H+	120	11869	607	11200
He+	40	4490	492	4400
He+	100	7964	762	9200
He+	120	10646	948	9600
Li+	100	7701	924	8500
Be+	100	6779	927	7500
B+	100	5642	900	5800
Si2+	140	6857	1214	3500
Ar+	120	2430	602	2000
Ga+	40	537	146	500
Ga+	55	860	228	600
Ga+	120	1636	410	1200

В работе [8] методом ядерных реакций (NRA) 10B(n, a)7Li определен ППР ионов бора, имплантированных в различные полимеры. Результаты расчетов приведены в табл.2.6.

Таблица 2.6.

Сравнение экспериментальных данных с теоретическими для бора с энергией 200 кэВ, имплантированного в различные полимеры.

Поли-	Эксперимент	Теория
мер	<R>, нм	FWHM, нм	Rp, нм	<R>, нм	s, нм	FWHM, нм
Mайлар	820	186	771	794	83	132
Kaптон	747	200	744	770	68	120
Teфлон	693	170	657	709	89	171
AZ1350	764	204	732	770	73	120

Получено неплохое согласие между экспериментальными данными и результатами расчетов. Обнаружена особенность поведения имплантированного бора в майларе. Через полгода после облучения следов внедренных ионов бора не обнаружено. Это приписывают высокому коэффициенту диффузии бора в майларе (D = 5·10-15 см2/с). Второй основной вывод данной работы связан с формой ППР внедренного бора. Авторы предлагают разложить профиль на две составляющие. Первая соответствует рассчитанному на основе TRIM-алгоритма профилю неупруго выделенной энергии. Вторая часть профиля соответствует распределению затормозивших ионов, которая также хорошо аппроксимируется методом МК. Вводятся термины “регулярная” часть распределения и “нерегулярная” составляющая.

Более детально вопрос соотношения TRIM-расчетов с экспериментом изучался в [9]. Экспериментально полученные результаты сравнивались с TRIM-предсказаниями и расчетами на основе теории ЛШШ. Основные результаты приведены в табл.2.7. Все результаты получены методом РОР за исключением данных по профилям имплантированного фтора, для которого использовался метод ядерных реакций 19F(p, a,g)16O. Глубинное разрешение при этом составляло 250 Å, что, по сути говоря, очень неудовлетворительно.

Таблица 2.7.

Экспериментальные и рассчитанные значения Rp(нм) и DRp(нм) для ряда ионов, имплантированных в AZ111.

Ион	Энер-	Доза,	Эксперимент	TRIM	LSS
	гия, кэВ	´1015 см–2	Rp	DRp	Rp	DRp	Rp	DRp
F+	30	5,0	52	20	92	27	–	–
Na+	30	5,0	72	22	85	26	175	50
P+	30	5,0	57	27	67	19	145	39
K+	35	5,0	51	21	58	16	129	30
Ar+	35	5,0	29	11	60	17	129	27
Fe+	60	5,0	64	21	80	21	161	27
Ga+	60	5,0	70	22	71	17	155	28
Kr+	65	0,8	51	10	71	16	162	28
Sn+	100	1,0	79	20	75	14	209	32
Xe+	110	5,0	65	14	77	14	222	33
Bi+	100	0,1	78	15	65	11	–	–

Результаты проведенных исследований позволяют авторам сделать следующие выводы.