Numerical simulation of the temperature field dynamics in single-crystalline silicon at repetitively-pulsed high-intensi.pdf Введение Импульсные ионные пучки различной мощности находят широкое применение в исследованиях по модификации поверхностных свойств материалов методами ионной имплантации, ионно-плазменного осаждения покрытий и энергетического воздействия на поверхность. Ионная имплантация является важным инструментом для модификации поверхностей широкого круга материалов для значительного спектра применений в областях фундаментальных исследований и прикладных технологий [1-4]. Облучение высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии может быть использовано в качестве потенциального метода для создания глубоких ионно-легированных приповерхностных слоев по сравнению с традиционными методами имплантации. Этот метод основан на использовании ионных пучков высокой интенсивности с плотностями тока, достигающими нескольких десятков или даже сотен мА/см2. Такая высокая плотность тока приводит к радиационно-усиленной диффузии имплантируемых атомов и при одновременном повышении температуры облучаемого материала. Это обеспечивает формирование протяженных ионно-легиро¬ванных слоев с толщиной от нескольких единиц до десятков и даже сотен микрометров [5, 6]. Метод высокоинтенсивной имплантации ионов сверхнизкой и низкой энергии имеет хорошие перспективы технологического использования применительно к формированию протяженных слоев, легированных ионами, имеющими малый радиус и обладающими высоким коэффициентом диффузии. Однако во многих практических применениях для формирования глубоких ионно-легированных слоев при высокоинтенсивной имплантации ионов требуется нагрев обрабатываемого изделия до температур, при которых наблюдается ухудшение микроструктуры. В этой связи необходим другой подход, при котором приповерхностный слой обрабатываемого изделия будет ионно-модифицирован при облучении, а основная часть материала не подвергнется воздействию высоких температур. Такой метод можно реализовать за счет синергии высокоинтенсивной ионной имплантации, обеспечивающей ионное легирование металлов и сплавов на глубинах, на порядки превышающих проективные пробеги ионов за счет радиационно-усиленной диффузии атомов, и импульсно-периодического энергетического воздействия на приповерхностный слой, способствующего управляемому изменению структурно-фазового состояния ионно-легированных слоев с сохранением структуры и свойств матричного материала [7]. Для реализации метода высокоинтенсивной имплантации ионов с одновременным энергетическим воздействием на приповерхностный слой предполагается использовать импульсный или импульсно-периодический пучок субмиллисекундной длительности. Каждый импульсный ионный пучок обеспечивает нагрев облучаемой поверхности до температур, способствующих радиационно-усиленной диффузии примеси. Такой импульсный нагрев приповерхностного слоя может быть осуществлен мощным пучком ионов субмиллисекундной длительности. Импульсный характер ионного пучка приводит к тому, что после быстрого нагрева приповерхностного слоя материала в течение импульса имеет место последующее быстрое охлаждение благодаря отводу тепла внутрь облучаемого материала. Высокоскоростное охлаждение ионно-легируемого слоя обеспечивает улучшение микроструктуры поверхности образца. В отличие от импульсно-периодической высокоинтенсивной имплантации при низких энергиях ионов, когда весь образец нагревается до высокой температуры и радиационно-усиленная диффузия имеет место в течение всего времени имплантации (десятки - сотни минут), в условиях синергии высокоинтенсивной имплантации и импульсного разогрева поверхности усиленная диффузия будет иметь импульсный характер. Исследовать такую диффузию можно с помощью отработанных методов и методик, имеющих хорошую чувствительность как по глубине распределения примесей, так и по их концентрации. Перспективным в данном случае представляется метод Резерфордовского обратного рассеяния. Полированный монокристаллический кремний, в качестве модельных образцов, с одной стороны, хорошо исследован в классических режимах ионной имплантации, а с другой стороны, имеет морфологию поверхности, которая может обеспечить возможность исследования динамики диффузии имплантируемой примеси в импульсных режимах облучения. Настоящая работа посвящена исследованию динамики изменения температурных полей в мишени из кремния при одноимпульсном и импульсно-периодическом воздействии на поверхность пучка ионов титана с плотностью мощности до 109 Вт/м2. Численное моделирование динамики температурных полей Расчет температуры в металлических образцах под действием высокоинтенсивного импульсно-периодического ионного пучка выполнялся с использованием математической модели, построенной на основе уравнения теплопроводности, записанного в цилиндрических координатах с азимутальной симметрией. Расчетная область задачи показана на рис. 1. Металлический образец выполнен в виде диска радиусом R и толщиной Z1. Рис. 1. Расчетная область: R и Z1 - радиус и толщина образца соответственно Уравнение имеет следующий вид: . (1) Здесь T(z,r,t) - пространственно-временная функция, описывающая распределение температуры в облучаемом образце; а - коэффициент температуропроводности облучаемого материала. Граничные условия на облучаемой поверхности образца: . (2) Здесь q(r,t) - плотность мощности ионного пучка, усредненная по периоду; R - радиус поперечного сечения пучка; Tch - температура стенок вакуумной камеры; εp - приведенная степень черноты поверхности образца, рассчитываемая с учетом отражения теплового излучения от стенок вакуумной камеры, где ε и εch - степень черноты поверхности образца и стенок вакуумной камеры соответственно. В расчетах Tch = 300 К, εch = 1. На облучаемой поверхности вне зоны действия пучка и на боковой поверхности образца задан сток тепла за счет теплового излучения на оси r = 0 - Расчеты выполнялись с использованием функции плотности мощности q(r,t), построенной по осциллограммам плотности тока и энергии ионов, измеренным в экспериментах. Численные расчеты выполнены для образца из кремния площадью 5 см2 и толщиной 0.38 мм. Энергетическое воздействие на поверхность кремния в процессе моделирования осуществлялось высокоинтенсивным импульсным и импульсно-периодическим пучком ионов титана высокой плотности мощности. Результаты и их обсуждение Рис. 2. Зависимость температуры мишени из кремния толщиной 0.38 мкм от длительности импульсов при разной импульсной плотности мощности пучка qимп: кр. 1 - 2•108 Вт/м2; кр. 2 - 5•108 Вт/м2; кр. 3 - 8•108 Вт/м2; кр. 4 - 109 Вт/м2 Динамика изменения температуры в приповерхностном слое мишени из кремния толщиной 0.38 мм в зависимости от длительности импульсов ионного пучка до 500 мкс для четырех различных плотностей мощности в пределах от 2•108 до 109 Вт/м2 представлена на рис. 2. Данные рисунка показывают, что при плот¬ности мощности ионного пучка 2•108 Вт/м2 максимальная температура в приповерхностном слое мишени не превышает 850 К даже при длительностях одноимпульсного энергетического воздействия 500 мкс. Очевидно, что такая температура не обеспечит глубокого ионного легирования при ионной имплантации в режиме импульсного разогрева приповерхностного слоя материала. Увеличение плотности мощности ионного пучка до 5 •108 Вт/м2 может обеспечить достижение к концу импульса длительностью 500 мкс температуры, близкой к плавлению. Таким образом, используя такой мощный ионный пучок, можно управлять максимальной температурой при энергетическом воздействии за счет выбора длительности импульса. Дальнейшее увеличение плотности мощности ионного пучка, например до 109 Вт/м2, будет приводить к тому, что уже при длительности импульса менее 150 мкс достигается расплавление поверхности. Для метода высокоинтенсивной ионной имплантации, совмещенного с энергетическим воздействием на поверхность образца, обязателен импульсный нагрев образцов до температуры, обеспечивающей усиленную радиационно-стимулированную диффузию имплантируемых атомов. Принимая во внимание, что нагрев образцов до температуры в несколько сотен градусов не меняет существенно микроструктуру, можно рассматривать вариант, когда весь образец нагревается до высоких температур, при которых не меняется структура и свойства обрабатываемого материала. В этом случае для импульсного нагрева образца до требуемых температур понадобится существенно меньшая плотность мощности ионного пучка. На рис. 3 представлены данные расчета изменения температуры образца из кремния в зависимости от времени облучения при воздействии импульсно-периодического ионного пучка титана с импульсной плотностью мощности в диапазоне от 0.6•108 до 2.5•108 Вт/м2 при различной частоте следования импульсов. Из рис. 3 видно, что увеличение импульсной мощности ионного пучка способствует более быстрому выходу на стабилизацию температуры образца. Результаты численного моделирования показывают, что, принимая во внимание данные рис. 3, для импульсного нагрева приповерхностного слоя образца до температуры, обеспечивающей радиационно-ускоренную диффузию, требуемая импульсная плотность мощности в ионном пучке может быть существенно уменьшена. Рис. 3. Зависимость температуры мишени из кремния толщиной 0.38 мкм от времени его облучения пучком ионов титана с импульсной плотностью мощности qимп и частотой следования импульсов f: кр. 1 - 0.6•108 Вт/м2 (f = 1 имп./с); кр. 2 - 108 Вт/м2 (f = 1 имп./с); кр. 3 -2.5•108 Вт/м2 (f = 1 имп./с); кр. 4 - 2.5•108 Вт/м2 (f = 2 имп./с); кр. 5 - 2.5•108 Вт/м2 (f = 3 имп./с); кр. 6 - 2.5•108 Вт/м2 (f = 4 имп./с); кр. 7 - 2.5•108 Вт/м2 (f = 5 имп./с) На рис. 4 представлены зависимости динамического изменения температуры кремниевого образца, предварительно разогретого до температуры 811 К, при облучении высокоинтенсивным пучком ионов титана с различной плотностью мощности с длительностью импульса 500 мкс. Рис. 4. Зависимость температуры от времени в установившемся режиме облучения поверхности кремния высокоинтенсивным пучком ионов титана с импульсной плотностью мощности qимп: кр. 1 - 2•108 Вт/м2; кр. 2 - 2.5•108 Вт/м2; кр. 3 - 3•108 Вт/м2 Из графиков виден значительный импульсный разогрев приповерхностного слоя облучаемой мишени с последующим быстрым его охлаждением за счет отвода тепла внутрь материала благодаря его теплопроводности. При импульсной плотности мощности 2•108 Вт/м2 и начальной температуре образца 811 К максимальная температура поверхности к концу импульса достигает 1357 К. Дальнейшее увеличение импульсной плотности мощности до 3•108 Вт/м2 приводит к импульсному разогреву поверхности до температуры, близкой к плавлению, а именно до 1630 К. Моделирование также показало, что температура поверхности достигает состояния расплава при плотности мощности ионного пучка 3.5•108 Вт/м2. Заключение Численным моделированием исследована динамика изменения температурных полей в образце из кремния в зависимости от плотности мощности ионного пучка субмиллисекундной длительности в диапазоне от 2•108 до 109 Вт/м2. Определены условия облучения, обеспечивающие нагрев приповерхностного слоя до высоких температур в импульсном или импульсно-периодическом режимах с обеспечением сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения приповерхностного слоя материала. Показана возможность реализации импульсного или импульсно-периодического нагрева ионно-легируемого слоя до высоких температур, обеспечивающих повышенную радиационно-стимулированную диффузию имплантируемой примеси, в отсутствие или при заданном прогреве матричного материала вне зоны ионного легирования.

Скачать электронную версию публикации