Методические указания для самостоятельной работы студентов по дисциплинам «Воздействие излучений на вещество» и «Электрофизические методы обработки материалов», страница 7

Термические пики. Расчеты показывают, что за время порядка 10^-13 -10^-12 с каскад атомных столкновений завершается и термализуется (т.е. реализуется максвелловское распределение энергий отдельных атомов в зоне каскада). Оценки характерных значений времени, необходимого для отвода энергии из области каскада как по электронной, так и по ионной подсистеме, составляют в том и другом случае около 10^-11 с. Это означает, что процесс эволюции каскада на анализируемой стадии может рассматриваться как квазиадиабатический, т.е. не сопровождающийся обменом энергией с окружающей средой. В силу этого возможен существенный разогрев каскадных областей с образованием так называемых тепловых или термических пиков (thermal spikes). Температура в области пика может быть оценена из соотношения: T = T₀ + E/((4/3πr₀³) N  (3/2k)), где T₀ – исходная температура кристалла; E – энергия иона, образующего плотный каскад атомных смещений; r₀ – радиус каскадной области (величина порядка R_p); N – атомная плотность (число атомов в единице объема); k – постоянная Больцмана. Для высокой температуры теплового пика необходимо сочетание небольшого пробега и высокой энергии имплантируемых ионов.

Рис.5. Концентрационные профили ионов ³²P⁺, Е=40 кэВ, имплантированных в Si  в направлении <110> как функция флюенса (1 – 1,2^.•10¹³ см^-2,  2 – 8,9•1013 см^-2, 3 –7,25•10¹⁴ см^-2) [8].

При характерных для ионной имплантации энергиях ионов температура в области термических пиков (согласно квазиадиабатическим оценкам и результатам численного моделирования эволюции атомных каскадов на ЭВМ) может достигать нескольких тысяч градусов. Это дает дополнительный механизм образования дефектов за счет сверхбыстрого разогрева и последующей сверхбыстрой закалки (со скоростью до 10¹⁵ К/с) прикаскадных областей.

Важным является то, что сверхбыстрый (практически взрывной) разогрев прикаскадных областей при ионной бомбардировке порождает мощные микроударные волны, способные являться спусковым механизмом для нового типа радиационно-индуцированных превращений в метастабильных средах (см. [6,9]).

Ионное распыление. В процессе ионной имплантации происходит распыление поверхностного слоя мишени бомбардирующими ионами. Этот эффект необходимо принимать во внимание особенно при высоких флюенсах. Следует учитывать два основных механизма распыления атомов поверхностного слоя: 1) кинетическое (поштучное) распыление, которое происходит за счет передачи при соударениях значительной кинетической энергии атомам мишени (траектория этих атомов может оказаться таковой, что в результате они покинут  твердое  тело) и 2) термическое распыление, которое обусловлено испарением атомов из области термических пиков, возникающих в непосредственной близости от поверхности. При мощных импульсных воздействиях, как уже отмечалось во введении, может происходить полное испарение поверхностного слоя мишени. В результате эффект ионного легирования будет отсутствовать.

При не очень высоких плотностях ионного тока ионное распыление будет приводить лишь к изменению профиля внедренных ионов. При этом максимум концентрации внедренных ионов будет находиться от поверхности на расстоянии, меньшем расчетного значения R_p. Концентрация же внедренных ионов на поверхности будет заметно отличаться от той, которая наблюдалась бы в отсутствие эффекта распыления.

Скорости распыления поверхностных атомов определяются значениями коэффициентов распыления, которые зависят от сорта бомбардирующих поверхность ионов, их энергии, состава и структуры распыляемого материала и, наконец, от сорта самих распыляемых элементов. Коэффициент распыления равен среднему числу атомов данного сорта, распыляемых одним падающим ионом. Вследствие различия коэффициентов распыления ионное распыление приводит к изменению состава поверхностного слоя многокомпонентных мишеней. При длительном распылении на поверхности устанавливается такая концентрация элемента,  произведение  которой на коэффициент распыления дает объемную концентрацию этого элемента.