2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О МЕХАНИЗМЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ
Торможение ионов. Имеется несколько каналов рассеяния энергии при торможении ускоренных ионов в твердых телах и соответственно несколько независимых механизмов торможения. Основные из них следующие [8]:
1. Неупругие соударения со связанными электронами тормозящего вещества. Потери энергии при таких соударениях обусловлены возбуждением и ионизацией атомов или молекул.
2. Неупругие соударения с ядрами. Они вызывают тормозное рентгеновское излучение, возбуждение ядер и/или ядерные реакции.
3. Упругие соударения со слабо связанными электронами.
4. Упругие соударения с ядрами (атомами). При этом часть кинетической энергии передается атомам мишени.
5. Черенковское излучение (эффект Вавилова-Черенкова).
Потери, обусловленные эффектами 2, 3 и 5, для используемого в ионной имплантации диапазона энергий ионов либо полностью отсутствуют, либо пренебрежимо малы по сравнению с потерями, обусловленными эффектами 1 и 4.
Действительно, энергии имплантируемых ионов, не превышающие нескольких сотен кэВ, недостаточны для преодоления кулоновского потенциала ядер мишени, и следовательно, для их возбуждения, т.е. перевода в квантовые состояния с более высокой энергией, а также для протекания ядерных реакций (в противном случае пришлось бы иметь дело с таким неприятным явлением, как активация мишеней).
В ходе торможения сталкивающиеся частицы, имея эффективный заряд и двигаясь с ускорением, становятся источниками тормозного электромагнитного излучения. Однако оно обусловливает лишь пренебрежимо малую часть потерь кинетической энергии ионов.
Черенковское излучение возбуждается заряженными частицами, которые движутся со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде. Даже для самого легкого иона H+ соответствующая пороговая энергия составляет около 108 эВ, а следовательно, в случае ионной имплантации потери на черенковское излучение отсутствуют. Потери энергии в результате упругих столкновений ионов со слабо связанными электронами также крайне малы. Физика процесса та же, что и в случае упругих столкновений с ядрами (атомами) мишени, которые рассматриваются ниже.
С учетом вышесказанного, при описании торможения ионов, имплантируемых в твердое тело, мы будем рассматривать только два эффекта: неупругие соударения с электронами (электронное торможение) и упругие соударения с ядрами (ядерное торможение). Какой из этих эффектов преобладает – зависит от энергии иона, а также от атомного номера и массы иона и атомов мишени.
Первый из них состоит в том, что движущийся ион, сталкиваясь с атомами или молекулами мишени, способен вызывать их возбуждение и ионизацию, т.е. происходит переход электронов на более высокие энергетические уровни или вырывание одного или нескольких электронов из атома или молекулы.
Второй эффект связан с тем, что налетающий ион, упруго сталкиваясь с атомами мишени, постепенно передает им свою кинетическую энергию и в конце концов останавливается. Этот механизм можно проиллюстрировать на примере столкновения бильярдных шаров. Если движущийся шар испытает ряд столкновений с первоначально покоящимися шарами, рассеиваясь (т.е. отскакивая от них) под разными углами, то его скорость заметно уменьшится. Покоящиеся же шары станут двигаться и, в свою очередь, будут способны приводить в движение другие шары. Последнее замечание имеет отношение к возникновению каскадов атомных смещений (см. раздел “Образование радиационных дефектов”). При лобовом соударении налетающий и покоящийся шары, имеющие одинаковую массу, обменяются кинетическими энергиями, т.е. первый остановится, а второй начнет двигаться со скоростью первого. В общем случае энергия E2, передаваемая частице мишени c массой M2 налетающей частицей с энергией E1 и массой M1, определяется соотношением E2=E1LcosF, где L=4M1M2/(M1+M2)2 – коэффициент передачи энергии, F – угол рассеяния в системе отсчета, связанной с центром масс сталкивающихся частиц.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.