Дозовая зависимость диффузии алюминия в ?-Fe при импульсном ионном облучении

УДК 539.534.9

ДОЗОВАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИФФУЗИИ АЛЮМИНИЯ В a-Fe ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ

КОЛОТОВ А.А., БАЯНКИН В.Я., НОВОСЕЛОВ А.А.

Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132

АННОТАЦИЯ. В настоящей работе приведены экспериментальные данные по изучению распределения внедренных атомов Al по глубине мишени a-Fe в зависимости от дозы облучения пучком ионов Аг+ со средней энергией от 20 до 30 кэВ. Проанализированы возможные механизмы диффузии и аномально глубокого компонентного перемешивания наблюдаемого в результате ионной имплантации.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: доза облучения, ионная имплантация, диффузия.

Особенности перераспределения атомов в поверхностных слоях материалов при ударном воздействии, в частности при ионной имплантации, характер процессов массопереноса и последующее изменение характеристик материала в целом, является основным предметом изучения в области вопросов внешнего воздействия на материалы.

В настоящей работе представлен обзор экспериментальных данных по изучению перераспределения атомов в поверхностных слоях материалов (двухслойной системы -железной подложки с напыленной на её поверхность пленкой алюминия) после ударного воздействия (ионной имплантации). Как правило, характер массопереноса определяет отклик системы на внешнее воздействие и может иметь решающее значение для определения конечных параметров облученного материала, что и определяет интерес к поставленной задаче.

Основной целью данной работы, ставится изучение процессов диффузии в поверхностных слоях и на границе Al-Fe. В данном случае можно "напрямую" наблюдать результат воздействия ионной имплантации на процессы массопереноса и компонентного перемешивания. В связи с этим, исследование зависимости элементного состава от таких параметров ионного облучения, как, энергия бомбардирующих ионов и интегральная доза облучения, представляет определенный интерес.

На поверхность образцов a-Fe (предварительно отшлифованную и отполированную) напылялся алюминий до расчетной толщины слоя порядка 180-200 Á. Напыление проводилось резистивным методом в вакууме (P<10-6 торр). Со стороны напыленного слоя образцы облучались в импульсном режиме (f = 50 Гц, tM = 0,5 с) ионами аргона, плотность

14 17 2

тока составляла 10 мкА, интегральная доза составила 10 -10 ион/см , при этом энергия ионов варьировалась от 20 до 30 кэВ. Нагрев в процессе облучения не превышал 100 °С.

Исследования химического состава сверхтонких поверхностных слоев выполнены методом ВИМС на масс-спектрометре МС-7201. При этом относительная ошибка расчета концентраций компонентов не превышала 3 %. Послойный анализ проведен с использованием травления поверхности ионами Ar+ c энергией 0,5 кэВ и плотностью тока 160 мкА/см (расчетная скорость травления ~ 1,5 нм/мин).

Ионная имплантация приводит к существенным изменениям физико-химических свойств поверхности и материала в целом. Процессы, протекающие внутри имплантируемого материала, и знание характера распределения по глубине имплантированных ионов и радиационных повреждений представляют значительный интерес, как с точки зрения фундаментальных исследований, так и прикладного значения ионной имплантации. В частности установлено, что экспериментальные профили распределения по глубине имплантированных ионов и профили радиационных повреждений в целом неплохо согласуются с расчетными значениями [1]. Однако в ряде исследований показано, что изменение структуры и свойств материалов имеет место на глубине существенно превышающей значения проективного пробега ионов - «эффект

дальнодействия». Не определен также механизм «эффекта малых доз», заключающийся в воздействии ионизирующих облучений на структуру и свойства материалов при незначительном числе смещений на атом. Эти эффекты не получили убедительного объяснения в рамках классических моделей радиационной физики [2, 3, 4].

Имплантация атомов металлов осуществлялась методом «ионного вбивания» из пленки (А1), напыленной на поверхность матрицы ^е). Расчетные, в рамках классической модели, глубины проникновения имплантируемых атомов (в данном случае - Аг) в поверхность верхнего слоя (А1) для различных энергий указаны в табл. 1 [3]. Как показывают полученные результаты, в процессе облучения ионным пучком, наряду с распылением материала пленки, идет вбивание части её атомов в тело мишени.

Таблица 1

Распределение пробегов ионов Лг в зависимости от энергии ионов и типа мишени

Еаг, кэВ 10 20 30 40

Лр(А1), А 116 196 277 358

Rp(Fe), А 55 92 128 165

Дозы облучения выбирались из условия частичного и полного распыления напыленной пленки (У(А1) = 4,93 атом/ион, Y(Fe) = 4,05 атом/ион) [5]. Для образцов, облученных ионами с энергией 20 кэВ дозами D = 1014-1017 ион/см2, отмечено, что увеличение дозы в интервале D = 1014-1015 ион/см2 увеличивает диффузию алюминия в железную подложку (рис. 1). Максимальное значение средней концентрации алюминия в поверхностном слое (толщиной

15 2

~45 нм) отмечено при D = 10 ион/см .

Дальнейшее увеличение дозы резко стимулирует распылительные процессы. Алюминиевая пленка распыляется интенсивнее железной матрицы, что объясняется большим коэффициентом распыления алюминия. При наборе дозы до значения 1017 ион/см2 наблюдается полное удаление алюминиевой пленки с поверхности железной подложки.

О 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30

Время травления, мин Время травления, мин

Е=20 кэВ;

а) - D = 1014 ион/см2; б) - D = 1015 ион/см2; в) - D = 1016 ион/см2; г) - D = 1017 ион/см2 Рис. 1. Распределение элементов в поверхностных слоях после облучения

Похожая картина наблюдается и при облучении ионами с большей энергией (30 кэВ) Существенное отличие состоит в том, что облучение ионами с большей энергией, наряду с распылением, увеличивает и диффузионные процессы. При дозах 1014-1015 ион/см2 наблюдается сдвиг диффузионной границы в глубь матрицы. Одновременно с этим, увеличивается значение средней концентрации алюминия в слое ~ 45 нм, что можно было бы связать с интенсификацией процессов каскадного перемешивания (КП), т. е. направленного баллистического переноса атомов алюминия с поверхности в глубь подложки (рис. 2). Дальнейшее увеличение дозы до 1016 ион/см2 ускоряет распыление алюминиевой пленки, что существенно уменьшает среднюю концентрацию в приповерхностном слое. Сравнительный анализ образцов облученных ионами до одинаковых доз, но различными энергиями показывает, что диффузия протекает интенсивнее при использовании ионов с большими энергиями. В этом случае первично выбитые ионы получают большую энергию, что увеличивает их величину проективного пробега в подложке. Первично выбитые из узлов атомы смещают в свою очередь другие атомы и т. д., что порождает один или несколько плотных каскадов атомных смещений. Области таких каскадов содержат от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч атомов вещества. Все атомы, в том числе и не смещенные из узлов решетки, в ходе развития каскада многократно изменяют в результате столкновений с соседними атомами свою кинетическую энергию, вплоть до момента его термализации. Максимальная температура каскадной области может достигать 10-104 К. Эта температура также зависит и от энергии падающих ионов - отмечено, что эта температура возрастает с уменьшением энергии [2].

А1 ——Ре -д- А1 исходи -о-Те исходи

0 10 20 30 40 50

Время травления, мин

Е = 30 кэВ;

а) - D = 1014 ион/см2; б) - D = 1015 ион/см2; в) - D = 1016 ион/см2 Рис. 2. Распределение элементов в поверхностных слоях после облучения

Сильно разогретая область каскада подвергается резкому расширению, вследствие увеличения давления в каскадной области, что в свою очередь может породить ударную волну, которая в свою очередь способна приводить к образованию послекаскадных ударных волн. На фронте ударной волны возникают напряжения превышающие предел текучести материалов. В этом случае возникает течение материала с перемешиванием атомов среды и образование новых дефектов за фронтом волны. За областью повышенного давления следует

волна разгрузки. Аномальный массоперенос при прохождении большого числа уединенных ударных волн может являться альтернативой диффузионному массопереносу, хотя температура по объему материала при этом может быть недостаточной для протекания процессов диффузии. В этом случае мы можем говорить о температуре, которая характеризует локальный нагрев в области трека тяжелого иона (т. е. область, сильно деструктированную вблизи траектории тяжелой частицы в материале, созданную вследствие температурных эффектов, вызванных ионизационными потерями тяжелой заряженной частицы, приводящей к расплавлению и последующей частичной (или полной) рекристаллизации этой области) - Ti [6]. Расчеты температуры при прохождении ионов Ar+ в

области трека (~3 нм) наиболее просто можно оценить из выражения: T = ||---,

^ )ш ПКСгРг

где Rc - радиус трека, Ci - теплоемкость решетки, pi - плотность. Оценочное значение Ti, в данном случае, составляет ~104 К. Учитывая, что температура плавления (Тпл) для железа равна 1539 °С, а температура кипения (Ткип) 2900 °С, можно сделать вывод, что при прохождении иона Ar+ в области трека (~3 нм) Ti >> Тпл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показывают полученные результаты, в процессе облучения, наряду с распылением материала пленки, идет вбивание части её атомов в тело мишени. В исследуемых системах существует пороговое значение дозы облучение, при достижении которых распылительные процессы играют первостепенную роль. При увеличении энергии ионов, наблюдается увеличение глубины проникновения имплантируемых ионов, и, соответственно, большей диффузии атомов напыленной пленки (алюминия) в поверхностные слои подложки.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект РФФИ - Урал» №10-02-96039-р_урал).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кирсанов В.В., Мусина М.В. Механизм аномальной миграции имплантированных примесей // Металлы. 1993. №3. С.84-87.

2. Овчинников В.В. Радиационно-динамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных сред // Успехи физических наук. 2008. Т.178, №9. С.991-1001.

3. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А. и др. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Минск : Изд-во БГУ им В.И. Ленина. 1980. 352 с.

4. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М. : Металлургия. 1990. 216 с.

5. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Физическое распыление одноэлементных твердых тел / под ред. Р. Бериша. М. : Мир. 1984. 336 с.

6. Дидык А.Ю., Робук В.Н., Семина В.К. и др. Использование модели термического пика в трехмерной решетке при облучении тяжелыми ионами высоких энергий // Вопросы атомной науки и техники. 2005. №3. С.55-63.

FLUENCE DEPENDENCY OF Al DIFFUSION IN a-Fe UNDER PULSE ION BEAMING

Kolotov A.A., Bayankin V.Ya., Novoselov A.A.

Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russian

SUMMARY. Experimental results of depth distribution of embedded Al atoms in a-Fe samples depending on the fluence of Ar+ irradiation (average ion energy 20 to 30 keV) are shown. It is found that anomalously deep compositional mixing takes place. Possible mechanisms of diffusion are discussed.

KEYWORDS: energy exposure, ion implantation, diffusion.

Колотое Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-06-75, e-mail: less@fti.udm.ru

Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412)43-01-71

Новоселов Андрей Андреевич, младший научный сотрудник ФТИ УрО РАН