Основы взаимодействия заряженных частиц с диэлектрическими материалами (стр. 7 )

1) Имеет место удовлетворительное согласие между экспериментально определенными и рассчитанными методом МК значениями Rp и DRp для всех ионов за исключением фтора, а также благородных газов Ar+, Kr+, Xe+. Расчеты на базе теории LSS дают величину Rp, завышенную в два раза.

2) Для всех ионов благородных газов, TRIM-расчеты, также как и расчеты на базе LSS, не дают согласия с экспериментом. Расхождения тем больше, чем меньше Z1. Данное расхождение должно объясняться особенностями поведения благородных газов в полимерах, так как расчеты для K+, отличающегося от аргона по массе на единицу, хорошо воспроизводятся теоретически. Получено также, что величина дозы облучения практически не влияет на значения Rp, в то время как DRp существенно зависит от D. ППР ионов благородных газов отличается от гауссовского наличием протяженного хвоста, направленного вглубь мишени, что указывает на возможность диффузионных процессов.

3) По мнению авторов соотношение компонент Se и Sn определяет форму ППР внедренной примеси. Если Sn > Se, то имеет место хорошее согласие экспериментальных данных с TRIM-расчетами. При Se >> Sn профиль распределения внедренных ионов близок к определенному на основе TRIM-расчетов распределению потерь энергии на ионизацию. Переход от типа распределения к другому наступает при энергии налетающих частиц, при которой Sn » Se.

В [10] представлены результаты исследования трансформации ППР ионов B+, Li+, F+ в зависимости от энергии. Установлено, что для ионов Li+ в диапазоне энергий 60¸120 кэВ происходит переход от “регулярного”, то есть гауссовского профиля, к профилю, характеризующегося хвостом, направленным к поверхности мишени – “нерегулярный” профиль. Основные черты его поведения соответствуют профилю потерь энергии на ионизацию. В табл.5 приведены некоторые характеристики “нерегулярных” профилей.

Здесь Se и Sn – потери энергии на неупругие и упругие процессы соответственно; P – часть ионов, находящихся в “нерегулярных” положениях. Отметим некоторые основные черты переходного профиля. Во-первых, указанный переход наблюдается когда доминирующим процессом выделения энергии является неупругое взаимодействие налетающей частицы с электронами мишени. Во-вторых, пропорции ионного перераспределения есть функция массы налетающего иона. В-третьих, для всех трех ионов указанный переход имеет место при величине Se » 20 эВ/Å. Авторы делают вывод о необходимости дальнейшего изучения данной проблемы.

Таблица 2.8.

Параметры, характеризующие переход от “регулярного” профиля к “нерегулярному” для легких ионов, имплантированных в AZ111.

Ион	Энергия, кэВ	Se, эВ/Å	Sn, эВ/Å	Se/Sn	P, %
Li+	120	18,0	0,62	29,00	7
B+	60	18,5	3,70	5,00	12
F+	30	21,0	16,00	1,35	40

Исследования особенностей распределения ионов Li+ (150 кэВ, D=1×1013…1014 cм-2) в пленках полипропилена методом ядерных реакций проведено в [ ]. Для анализа использовалась реакция 6Li(n,α)3H. Типичная время снятия спектров для средней концентрации примеси порядка 1017 ат./см3 при нейтронном потоке 108 см-2/с составляло один день. С обратной стороны пленки облучались ионами Kr+ (50 кэВ, D=1015 ион/см2). Энергии ионов криптона выбиралась таким образом, чтобы между областями дефектов, созданных облучением ионами лития и криптона находилась полоска необлученного полимера толщиной примерно 0,2 мкм. Как и в работах [-], авторы сообщают о “нерегулярном” характере распределения внедренных ионов лития. В этой связи можно сделать сразу ряд замечаний. Во-первых, время снятия спектра достаточно велико, а коэффициент диффузии лития во многих материалах, например, в кремнии, велик. Во-вторых, нельзя не учитывать эффекты дальнодействия, вызванные бомбардировкой ионами криптона с обратной стороны, а также значительной радиационной усадкой пленки при этом. Поэтому, и в данном случае, формирование специфических распределений есть следствие наложения многих факторов, включая рассмотренный авторами механизм радиационной диффузии. Однозначно ввести критерий их формирования, как это сделано в работах [ , ] на наш взгляд необоснованно.

В работе Теннанта [11] методом ВИМС детально исследовались пробеги ионов B+ с энергией 50 кэВ и 150 кэВ в AZ4000 (фоторезист высокого разрешения) и в полиимиде CIBA GEIGY XU-218, который легко удаляется и обладает высокой термостойкостью. Авторами разработан способ получения значений Rp и DRp из экспериментов по имплантации бора в систему “полимер-кремний”. После имплантации фоторезист удаляется путем сжигания в кислородной плазме и методом ВИМС определяется профиль легированной примеси (B+) в кремнии. Затем, используя описанную авторами процедуру, подгонкой, находятся значения Rp и DRp в резисте. Разработка такой достаточно сложной методики определения параметров распределения связана с тем, что прямые измерения на изоляторах затрудняются зарядовыми эффектами. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с имеющимися к тому времени экспериментальными и расчетными данными. Показано, что в таблицах Гиббсона [12] величина Rp завышена в 2 раза, а значение DRp – примерно в 1,5 раза.

Фундаментальные исследования по пробегам ускоренных ионов в органических материалах выполнены Уилсоном [ ] (Hughes Research Laboratories, Malibu,USA). В отличии от методов РОР и ЯР данный метод не требует перевода шкалы энергий в шкалу глубин, что делает его особенно достоверным. Методом ВИМС исследовано большое количество распределе-ний ряда ионов внедренных в ПММА, полиимид и EPOXY (H19C18O3). Для профилирования использовалась стандартная установка CAMECA IMS 3F . В качестве первичных частиц использовались ионы O2+ (8 кэВ) и Cs+(14,5 кэВ). На полимерные пленки напыляли слой Au толщиной 50 нм. Скорость распыления мишени находилась в пределах 1,5…4 нм/с. Глубину кратера

измеряли с помощью профилометра Alphastep. Доза облучения находилась в пределах от 3×1013 до 2×1014 см-2. При облучении температура образцов не превышала 50 °С.

В таблице 2.8 приведены экспериментальные, рассчитанные с помощью программ TRIM и ISPC, а также по теории ЛШШ значения среднего пробега и страгглинга ряда ионов в трех различных органических материалах. Наибольшее расхождение (от 1,5 до 4 раз) имеет место для среднего значения продольного страгглинга. Средний пробег также существенно (до 1,5 раза) отличается от расчетного. Существенное расхождение наблюдается для тяжелых ионов (Nb, In, Sn, Sb), имплантированных в EPOXY. Хорошее совпадение экспериментальных и рассчитанных величин наблюдается крайне редко. Причины наблюдаемых расхождений в статье не обсуждаются. Можно отметить, что разница в значениях, получаемых с использованием TRIM и ISPC программами существенно меньше, чем с экспериментальными результатами. Это может свидетельствовать о том, что используемые теоретические представления о механизмах взаимодействия заряженных частиц с полимерами изучены пока не достаточно. Объяснить наблюдаемые различия потерей легких компонент мишени также нельзя, так как экспериментальные значения среднего пробега в подавляющем большинстве случаев превышают расчетные.

Таблица 2.9.

Эксперментальные и рассчитанные значения среднего пробега и страгглинга ряда ионов в полимерных материалах. Все величины приведены в микронах.

Ион	Энергия, кэВ	Полимер	<R> эксп.	<R> TRIM	<R> ISPC	<R> ЛШШ	ΔRp эксп.	ΔRp TRIM	ΔRp ISPC
Be	90	PMMA	0,651	0,448	0,343	-	0,130	0,067	0,036
B	100	PMMA	0,426	0,414	0,338	1,057	0,090	0,065	0,034
Mg	200	PMMA	0,452	0,613	0,437	-	0,299	0,123	0,045
Al	280	PMMA	0,957	0,566	0,525	1,340	0,178	0,101	0,051
K	280	PMMA	0,689	0,339	0,370	-	0,172	0,063	0,037
Ca	300	PMMA	0,440	0,354	0,375	-	0,299	0,065	0,038
Cr	280	PMMA	0,385	0,301	0,292		0,183	0,062	0,030
Mn	300	PMMA	0,480	0,317	0,304	-	0,128	0,065	0,031
Ni	300	PMMA	0,465	0,295	0,272	-	0,128	0,062	0,028
Cu	300	PMMA	0,465	0,279	0,259	-	0,128	0,058	0,027
Zr	300	PMMA	0,308	0,211	0,195	-	0,072	0,044	0,020
Nb	300	PMMA	0,290	0,208	0,189	-	0,072	0,042	0,019
Ag	340	PMMA	0,426	0,211	0,170	-	0,114	0,040	0,018
Sn	300	PMMA	0,245	0,182	0,163	0,510	0,044	0,033	0,017
2H	50	POLYM	0,817	0,672	0,525	4,185	0,110	0,056	0,053
Li	290	POLYM	1,728	1,470	1,013	-	0,224	0,121	0,097
B	100	POLYM	0,411	0,400	0,365	1,057	0,110	0,068	0,041
Na	280	POLYM	0,695	0,642	0,632	-	0,212	0,113	0.065
Si	300	POLYM	0,570	0,556	0,538	1,349	0,209	0,109	0,057
P	300	POLYM	0,370	0,460	0,511	1,278	0,128	0,083	0,054
Fe	300	POLYM	0,434	0,301	0,296	-	0,177	0,069	0,032
Продолжение таблицы 2.9.
Ge	500	POLYM	0,545	0,437	0,497	1,117	0,133	0,091	0,042
Se	280	POLYM	0,350	0,220	0,210	0,599	0,062	0,047	0,022
Br	280	POLYM	0,240	0,216	0,212	0,586	0,062	0,043	0,022
In	300	POLYM	0,306	0,177	0,168	0,514	0,066	0,036	0,017
Te	450	POLYM	0,258	0,246	0,235	0,718	0,049	0,045	0,024
2H	100	EPOXY	1,322	1,306	1,069	6,992	0,155	0,046	0,043
Be	90	EPOXY	0,653	0,495	0,403	-	0,069	0.,041	0,027
B	100	EPOXY	0,420	0,454	0,394	1,057	0,103	0,044	0,025
N	300	EPOXY	1,127	0,768	0,700	2,102	0,186	0,050	0,042
Si	350	EPOXY	0,574	0,736	0,705	1,559	0,131	0,077	0,043
S	300	EPOXY	0,560	0,480	0,544	1,212	0,173	0,052	0,034
K	280	EPOXY	0,265	0,485	0,236	0,266	0,077	0,043	0,027
Cr	280	EPOXY	0,414	0,336	0,343	-	0,077	0,043	0,023
Fe	300	EPOXY	0,566	0,348	0,338	-	0,184	0.045	0,021
Cu	300	EPOXY	0,535	0,315	0,304	-	0,173	0,041	0,019
Se	600	EPOXY	0,652	0,529	0,530	1,278	0,152	0,058	0,033
Br	340	EPOXY	0,154	0,299	0,238	-	0,049	0,037	0,018
Zr	300	EPOXY	0,386	0,148	0,144	-	0,091	0,028	0,014
Nb	300	EPOXY	0,371	0,145	0,141	-	0,091	0,028	0,014
In	300	EPOXY	0,328	0,130	0,120	0,514	0,060	0,024	0,012
Sn	300	EPOXY	0,328	0,126	0,118	0,510	0,059	0,023	0,012
Sb	300	EPOXY	0,389	0,126	0,116	0,506	0,100	0,023	0,012
Te	600	EPOXY	0,349	0,334	0,311	0,936	0,111	0,058	0,032

С нашей точки зрения, причина заключается, в первую очередь, в некорректности принятой схемы расчета суммарных неупругих потерь энергии: 50% локальных + 50% нелокальных. Вероятно, для рассматриваемо-го класса материалов пропорции должны быть пересмотрены. Из таблицы 2.8 видно, что величина ΔRpэксп.≈(2-3) ΔRpтеор.. Это является прямым свидетельством того, что ΔRp есть функция дозы облучения.