Динамика температурного поля в веществе в процессе ионной имплантации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Отчёт

По лабораторной работе №2

«Динамика температурного поля в веществе

 в процессе ионной имплантации»

Выполнили: Соболева Е.Ю.

Гусев А.И.

Группа: Фт-55051.

Проверил: Овчинников В.В.

Екатеринбург, 2010

1.  Цель работы.

С помощью компьютерного моделирования изучить температурное поле в веществе при ионной бомбардировке. Установить зависимость температуры от первоначальной энергии ионов, плотности тока и материала мишени.

2.  Теоретическая часть.

Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.

Важным моментом при ионной имплантации является температура мишени. Так как несоблюдение температурного режима может значительно сказаться на электрофизических и механических свойствах легированного материала. Поэтому необходимо уметь рассчитать температуру мишени исходя из начальной энергии ионов, времени облучения, плотности потока и многих других факторов.

В лабораторной работе используется программа математического моделирования «Temperature». В программе производится расчет и строится график зависимости температуры пластины в процессе ионной имплантации от времени облучения или дозы.

Динамика температурного поля Т(z,t), возникающего в веществе при облучении, может быть описана уравнением теплопроводности с граничными условиями, учитывающими теплоотвод:

Постановка и решение задачи приведены в статье Абдрашитова В.Г., Рыжкова В.В. «Расчет температуры мишени при ионной имплантации».

Температуру образца в процессе облучения можно определить из баланса энергии: , где Pi плотность мощности пучка.

3.  Экспериментальная установка, данные и полученные результаты.

В работе исследовались два материала мишени: железо и алюминий. Варьировались значения энергии ионов и плотность тока. На графиках изображена кривая температуры, а также асимптоты, отражающие предельные случаи: насыщение и отсутствие излучения.

Графики зависимости температуры от времени облучения для мишени из железа представлены на рисунках 1 - 4.

1.   Fe, 10кЭв, 10мкА/см²

2.   Fe, 40кЭв, 10мкА/см²

3. Fe, 10кЭв, 50мкА/см²

4.Fe, 40кЭв, 50мкА/см²

Графики зависимости температуры от времени облучения для мишени из железа представлены на рисунках 5 - 8.

5. Al, 10кЭв, 10мкА/см²

6. Al, 40кЭв, 10мкА/см²

7. Al, 10кЭв, 50мкА/см²

8. Al, 40кЭв, 50мкА/см²

4.  Выводы.

Из представленных графиков можно сделать вывод, что как повышение начальной энергии ионов, так и увеличение плотности тока приводят к увеличению температуры мишени. При изменении обоих факторов эффект суммируется.

Материал мишени не влияет на температуру в установившемся режиме. Но скорость нагрева сильно зависит от плотности вещества, из которого изготовлена мишень. Так, например, алюминий нагревается быстрее, чем железо, при одинаковых начальной энергии ионов и плотности.