Смешивание ионных пучков - Ion beam mixing

Смешивание ионных пучков представляет собой смешение и сплавление атомов, которое может происходить на границе раздела двух разных материалов во время ионного облучения.[1] Применяется как процесс склеивания двух многослойных материалов, особенно субстрат и депонированный поверхностный слой. Процесс включает бомбардировку слоистых образцов дозами ионное излучение в целях продвижения смешивание на границе раздела и обычно служит средством подготовки электрических переходов, особенно между неравновесными или метастабильный сплавы и интерметаллид соединения. Ионная имплантация оборудование может быть использовано для смешивания ионных пучков.

Механизм

Уникальные эффекты, возникающие при смешивании ионных пучков, в первую очередь являются результатом баллистический последствия; то есть падающие ионы имеют высокий кинетическая энергия которые передаются атомам мишени при столкновении. Энергии ионов могут быть порядка 1 kэВ до 200 кэВ. При ускорении такие энергии ионов достаточно высоки для разрушения внутри- и особенно межмолекулярный облигаций, и инициировать переезд в пределах атомная решетка. Последовательность столкновений известна как каскад столкновений.В ходе этого баллистического процесса энергии падающих ионов смещают атомы и электроны материала мишени на несколько узлов решетки, что приводит к перемещению в них и перемешиванию границ раздела в пограничном слое. (Обратите внимание, что энергии должны быть достаточно высокими для того, чтобы перестройки решетки были постоянными, а не проявлялись как простые колебательные реакции на падающее излучение, то есть кинетические энергии должны быть выше пороговая энергия смещения Если в этих ядерных столкновениях сохраняются достаточно высокие энергии, то, по сравнению с традиционными процессами имплантации с высокими дозами, имплантация баллистических ионов дает более высокие концентрации сплава внутри пленки при более низких дозах облучения по сравнению с обычными процессами имплантации.

Анализ

Степень перемешивания пленки зависит от массы иона, от интенсивности любого данного падающего ионного пучка и от продолжительности падения ионного пучка на мишень. Величина перемешивания пропорциональна квадратным корням из времени, массы и дозы ионов.[2]

При температурах ниже 100 ° C для большинства имплантированных материалов смешивание ионного пучка практически не зависит от температуры, но по мере увеличения температуры выше этой точки смешивание увеличивается экспоненциально с температурой. Эта температурная зависимость является проявлением падающих ионных пучков, которые эффективно передают энергию активации, зависящую от целевых частиц, барьерному слою.[3]

Смешивание пучком баллистических ионов можно разделить на два основных подтипа: смешивание с отдачей и каскадное смешивание, которые происходят одновременно в результате ионной бомбардировки. При перемешивании отдачи атомы перемещаются одиночными столкновение События. Смешивание отдачи в основном наблюдается под большими углами в результате мягких столкновений, при этом количество атомов, подвергающихся имплантации отдачи, изменяется линейно с дозой ионов. Однако имплантация отдачи не является доминирующим процессом при смешивании ионных пучков. Большинство перемещенных атомов являются частью каскад столкновений в котором отскочившие атомы инициируют серию смещений решетки с меньшей энергией, что называется каскадным перемешиванием.[3] Смешивание ионных пучков можно дополнительно улучшить за счет всплеск тепла последствия[4]

Ионное смешение (IM) по сути аналогично взаимной диффузии, поэтому большинство моделей ионного смешения включают эффективный коэффициент диффузии, который используется для характеристики толщины прореагировавшего слоя как функции имплантации ионного пучка в течение определенного периода времени.[3]

Модель диффузии не учитывает смешиваемость субстрата и слоя, поэтому для несмешиваемых систем или систем с низкой смешиваемостью она будет переоценивать степень смешения, в то время как для сильно смешиваемых систем модель будет недооценивать степень смешения. Термодинамические эффекты также не рассматриваются в этом основном уравнении взаимной диффузии, но могут быть смоделированы уравнениями, которые учитывают энтальпии смешивания и мольные доли целевых частиц, и тем самым можно получить термодинамический эффективный коэффициент диффузии, отражающий температурные эффекты (которые становятся заметными при высоких температурах).

Преимущества и недостатки

Преимущества ионно-лучевого смешения как средства синтеза по сравнению с традиционными способами имплантации включают способность процесса производить материалы с высокой растворенное вещество концентрации с использованием меньшего количества облучения и лучшего контроля запрещенная зона вариация и распространение между слоями.[3][5] Стоимость IM также менее непомерно высока, чем у других способов подготовки пленки на подложках, таких как химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE).

К недостаткам можно отнести невозможность полностью направлять и контролировать смещения решетки, инициированные в процессе, что может привести к нежелательной степени беспорядка в образцах с ионной смесью, что делает их непригодными для применений, в которых превыше всего точный порядок решетки. Пучки ионов не могут быть идеально направлены, а каскад столкновений не может контролироваться, если эффекты IM распространяются, что может привести к утечке, электронная дифракция, радиационно-усиленная диффузия (RED), химическая миграция и рассогласование.[6] Кроме того, все образцы с ионной смесью должны быть отожжены.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Взаимодействие ионов с твердым телом, Cambridge Solid-State Science series, ch11, p295
  2. ^ Б. М. Пейн и Р. С. Авербак, Смешивание ионных пучков: основные эксперименты, Nucl. Instrum. Методы Phys. Res. В 7/8, 666 (1985)
  3. ^ а б c d Настаси, Михаил (17–29 июля 2004 г.). «Ионно-лучевое смешение» (PDF). Радиационные эффекты в твердых телах. Эриче, Сицилия, Италия: Лос-Аламосская национальная лаборатория Отдел материаловедения и технологий. Получено 2 мая 2007.
  4. ^ К. Нордлунд, М. Гали и Р. С. Авербак (1998). «Механизмы смешивания ионных пучков в металлах и полупроводниках». J. Appl. Phys. 83 (3): 1238–1246. Bibcode:1998JAP .... 83.1238N. Дои:10.1063/1.366821.
  5. ^ Abedrabbo, S .; Arafah, D.E .; Gokce, O .; Wielunski, L.S .; и другие. (Май 2006 г.). «Ионно-лучевое смешение для обработки наноструктурных материалов». Журнал электронных материалов. 35 (5): 834–839. Дои:10.1007 / BF02692536. S2CID  98541376. Получено 2 мая 2007.
  6. ^ Абедраббо, суфийский; Arafah, D.E .; Салем, С. (май 2005 г.). «Ионно-лучевое смешение тонких пленок кремния и германия». Журнал электронных материалов. 34 (5): 468–473. Дои:10.1007 / s11664-005-0053-1. S2CID  95064618. Получено 2 мая 2007.

внешняя ссылка