ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
На просторах интернета, а также в научной литературе, можно найти множество ресурсов по использованию научных программ. Для расчета параметров имплантации ионов примеси, таких как энергия и доза, используется программа SRIM. Основным руководством по использованию программы SRIM можно считать книгу “SRIM Textbook” [i1.]. Огромное количество материалов по этой тематике можно найти также на сайте [i3.].
Для обсчета RBS спектров, т.е. построения глубинных профилей распределения примеси в кремниевом образце, традиционно используется программный пакет HEAD. Получить информацию по использованию программы HEAD можно в работе [4].
Провести расчет распределения нанокластеров по размерам из ПЭМ фотографии образца поможет программный модуль Adobe Photoshop, помощь по использованию которого можно получить на сайте [i4.].
Графический пакет Origin помогает оценить потери имплантированных атомов примеси в процессе внедрения и термообработок, а также количества атомов примеси, находящейся в узлах кристаллической решетки кремния. Материалы по использованию можно найти на официальном сайте в интернете.
На данный момент основные публикации по теме настоящей работы освещают создание нанокристаллов с помощью различных методов (ионная имплантация, магнетронное распыление), что свидетельствует об актуальности исследований по приведенным в работе материалам.
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Раздел 2.1 Ионная имплантация 2.1.1 Особенности и возможности метода
Метод ионной имплантации основан на внедрении в твёрдое тело ускоренных в электростатическом поле ионизированных атомов и молекул. При этом возможны любые комбинации ион-мишень [4]. Энергия ионов может изменяться от нескольких килоэлектронвольт до Гигаэлектронвольт. Глубина внедрения ионов зависит не только от энергии, но и от массы ионов, а также от массы атомов твёрдого тела [5]. Ионная бомбардировка позволяет изменять практически все свойства приповерхностной области твёрдого тела: электрофизические, механические, коррозионные, каталитические, оптические эмиссионные [6].
В последние годы ионная имплантация стала одним из основных методов внедрения примесей в полупроводниковые кристаллы [7]. До этого времени самыми распространёнными способами введения примесей были: введение примесей в процессе выращивания кристалла (эпитаксия), диффузия и сплавление [8].
Метод ионной имплантации имеет ряд преимуществ:
Сокращение длительности процесса внедрения примеси в 102 –104 раз, однородность распределения по поверхности и воспроизводимость параметров.
Возможность точного контроля количества вводимых атомов примеси.
Высокая чистота процесса.
Низкая температура процесса.
Простота методов маскирования участков на поверхности кристалла, которые следует или не следует легировать.
Возможность легирования через тонкие пассивирующие слои.
Малая глубина внедрения ионов.
Многоступенчатой имплантацией можно задать профиль распределения имплантированных атомов любой ранее заданной формы.
Благодаря незначительному боковому рассеянию становится возможным изготовления особо миниатюрных приборов.
Наиболее существенным недостатком ионного внедрения является нарушение кристаллической структуры полупроводника или металла – появление дефектов в результате первичных соударений ионов с атомами мишени или вторичных соударений уже смещённых из узлов кристаллической решётки быстрых атомов с другими атомами матрицы [9]. Эти дефекты структуры вызывают изменение электрофизических свойств полупроводников. Для устранения образовавшихся нарушений, а также перевода имплантированных атомов в электрически активные положения в решётке необходимо проведение соответствующих термообработок ионно-легированных образцов [10].
Поэтому важнейшими проблемами метода ионной имплантации в полупроводники являются: отжиг радиационных дефектов, повышение электрической активации атомов, определение формы распределения имплантированных атомов примесей, а также исследование влияния процесса имплантации на такие важные характеристики исходного материала, как подвижность и время жизни носителей тока.
Ионная имплантация в настоящее время широко используется не только в области технологии полупроводниковых приборов и ИС [11]. Благодаря созданию сильноточных имплантеров стало возможным не только легирование полупроводников, но и применение её для модификации химических, механических и оптических свойств твёрдых тел [12].
Существует достаточно много программ позволяющих проводить моделирование процесса ионной имплантации в твердые тела, не прибегая к эксперименту. Моделирование происходит с некой долей погрешности и пока не способно полностью заменить реальные эксперименты, но его результаты оказывают неоценимую помощь в проведении исследований. Одной из лучших программ позволяющих проводить моделирование процесса ионной имплантации является SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter). В основе этой программы лежит расчет траекторий полета ионов методом Монте–Карло. Это очень гибкий метод, позволяющий обрабатывать ионы с энергиями в интервале от 10 эВ до 2 ГэВ. Следует отметить, что данная программа разработана исключительно для моделирования процессов рассеяния ионов при попадании в кристаллическую структуру и не является самостоятельным математическим пакетом. Тем не менее, программа поддерживает множество расширений, а также сама может служить пакетом для других программ, таких, например, как WinDF. Таким образом, программа предусматривает ввод параметров и получение результатов, исключая необходимость написания программного кода. Данная программа имеет огромное число опций, позволяющих всесторонне оценить воздействие потока заряженных частиц на твердое тело (Рисунок 2 .1). Также необходимо отметить особенности установки данного программного пакета, а именно необходимость задания английского языка в региональных свойствах Windows, иначе программа не будет работать. Программа использует ядро процессора, поэтому для нормальной работы программы необходимо наличие современного процессора обработки данных. Также программа позволяет выбирать несколько выходных форматов посчитанных данных.
 
Рисунок 2.1 – Интерфейс SRIM
В программе SRIM достаточно задать алгоритм моделирования, тип, дозу и энергию налетающих ионов, а также геометрию эксперимента. Необходимо также указать тип атомов мишени, а также ширину слоя подложки. После этого программа автоматически выполнит все необходимые расчеты и построит глубинный график внедренной примеси в матрице мишени. Как правило, этот график строится в специфических единицах, и, если исследователю понадобится представить рассчитанные данные в более традиционном формате, необходимо будет провести конвертацию полученных результатов, например, с помощью программы Origin.
С помощью программы SRIM были подобраны дозы и энергии имплантации ионов Sb, As и In, исследуемые в данной работе, так, чтобы максимумы концентраций этих примесей находились примерно на одной глубине. В дальнейшем с помощью других методов данные расчеты были проверены с достаточно высокой точностью, что доказывает высокую степень надежности расчетов программ теоретических расчетов данных по имплантации ионов примеси.
Раздел 2.2 Методы экспериментальных исследований 2.2.1 Обратное резерфордовское рассеяние
Для определения состава мишеней путем анализа энергетических спектров обратно рассеянных частиц используется, так называемый, метод обратного резерфордовского рассеяния [13], который основан на применении физического явления – упругого рассеяния ускоренных частиц на большие углы при их взаимодействии с атомами вещества. Этот метод достаточно давно используется в ядерной физике. Аналитические возможности резерфордовского рассеяния легких частиц получили широкое применение в различных областях физики и техники, начиная от электронной промышленности и заканчивая исследованиями структурных фазовых переходов в высокотемпературных соединениях [14]. Рассмотрим принципиальные особенности метода обратного резерфордовского рассеяния. Возможная схема применения метода показана ниже (Рисунок 2 .). Коллимированный пучок ускоренных частиц с массой М1, порядковым номером Z1 и энергией Е0 направляется на поверхность объекта исследования.
Рисунок 2.2 – Схема применения метода обратного резерфордовского рассеяния
В качестве объекта исследования может быть достаточно тонкая пленка, масса и порядковый номер атомов которой равны, соответственно, М2 и Z2 [15]. Часть ионов в пучке будет отражаться от поверхности с энергией KM2E0, а часть пройдет вглубь, рассеиваясь затем на атомах мишени. Здесь KM - кинематический фактор, определяемый как отношение энергии частицы KME после упругого рассеяния частицы на угол θ на атоме мишени M к ее значению до столкновения E. Понятно, что кинематический фактор является функцией угла рассеяния.
Кинематический фактор KM может быть вычислен из модели упругого столкновения двух частиц с массами М1 и М2. Как следует из законов сохранения импульса и энергии кинематический фактор зависит только от угла рассеяния  и отношения масс частицы и атома мишени М1/М2:
 (1)
Таким образом, из зависимости кинематического фактора (см. 1) следует, что, во-первых, измеряя угол рассеяния и энергию рассеянных частиц, можно определить массу рассеивающих частиц, а во-вторых, для достижения хорошей чувствительности метода угол рассеяния должен быть достаточно большим, а масса налетающих частиц не слишком малой [16]. Поскольку энергетическое разрешение используемых детекторов обычно не менее 20 кэВ, то для наиболее оптимальных условий экспериментов выбирают угол рассеяния порядка 160о, а в качестве анализирующего пучка обычно используют ускоренные ионы гелия.
К сожалению, сегодня практически не существует программного обеспечения в открытом доступе (как платного, так и свободно распространяемого) способного решать задачи связанные с анализом твердых тел методом резерфордовского обратного рассеяния. Есть упоминания о таких программных продуктах как Data Furnace, Quark, Rump, Simnra.
Но у всех есть один значительный недостаток – линейная калибровка по двум точкам, и при анализе слоев толщиной до 100 нм это может быть решающим фактором для точности результатов. Поэтому белорусская группа специалистов по ионной имплантации разработала собственный программный продукт HEAD (Рисунок 2 .), основанный на калибровке по четырем точкам [17]. На данный момент программа имеет простейший графический интерфейс и работает в системе MS-DOS. Программа позволяет проводить моделирование процесса резерфордовского обратного рассеяния и определять элементный состав твердых тел [18].
Рисунок 2.3 – Схема применения метода обратного резерфордовского рассеяния
В данной работе эта программа была использована для расчета профилей распределения примеси по глубине кристалла после проведенной ионной имплантации.
2.2.2 Просвечивающая электронная микроскопия
В настоящее время для обработки изображений активно используется коммерческое программное обеспечение (ПО) и бесплатное открытое ПО.
К достоинствам коммерческого ПО можно отнести: 1) надежность – алгоритмы разработаны под конкретный вид решаемых задач, 2) высокую точность результатов – достигается вследствие внедрения коммерческих патентов на методы сегментации, 3) простоту в использовании – дружественный интерфейс для работы. Недостатками коммерческого ПО являются высокая стоимость, отсутствие универсальности: в случае изменения технологии, необходимо менять программное обеспечение, отсутствие доступа к коду со стороны пользователя, использование специальных форматов данных.
Альтернативой к коммерческому программному обеспечению выступает открытое бесплатное программное обеспечение, в основном предназначенное для академического использования. Для бесплатного ПО характерны: универсальность, общедоступность, возможность модификации кода под специализированную задачу. Большинство бесплатных пакетов не обладает интерфейсом и рассчитано на пользователей имеющих навыки программирования.
Одной из различных программ для анализа изображений является комплекс программ Adobe Photoshop (Рисунок 2 .).
Рисунок 2.4 – Интерфейс Adobe Photoshop
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
а) С помощью программы HEAD можно моделировать спектры RBS и таким образом находить распределение примеси по глубине образца.
б) С помощью программы SRIM можно проводить моделирование процесса ионной имплантации в твердые тела, не прибегая к эксперименту. Моделирование происходит с некой долей погрешности и пока не способно полностью заменить реальные эксперименты, но его результаты.
|
