Испитивање утицаја имплантације јона високих енергија у моду каналисања на структуру 6Н-SiC монокристала

Abstract

Јонска имплантација представља једну од метода модификације површинских и дубинских слојева материјала (до неколико микрометара), која омогућава добру контролу дубине и дебљине модификованих слојева. Током процеса јонске имплантације долази до промене кристалне структуре материјала који се модификује. У случају монокристала аморфизација је умањена када се правац кристалографске осе кристала добро поклапа са правцем јонског снопа, и тада се јавља ефекат каналисања јона, што истовремено омогућава и веће дубине продирања јона. Силицијум карбид (ЅiС) је полупроводнички материјал који поседује низ изузетних физичких и хемијских својстава која омогућавају широк опсег његових примена, од производње високонапонских полупроводничких компоненти великих снага, за употребу у екстремним условима (нпр. свемир), па све до његове употребе као заштитног материјала код нуклеарних реактора. У циљу испитивања утицаја високоенергетске јонске имплантације у моду каналисања, у монокристал 6Н-ЅiС имплантирани су јони угљеника (С3+) и силицијума (Ѕi 3+) енергије 4 МеV. Имплантирани флуенси су били у распону од 4,17×1014 јона·cm−2 до 2,02×1016 јона·cm−2 . За квантитативну и квалитативну анализу аморфизације монокристала 6Н-ЅiС коришћене су методе: спектрометрија еластичног повратног расејања у моду каналисања (EВЅ/С), микро-раманска (µR) спектроскопија и скенирајућа електронска микроскопија (SEM). Коришћењем квантитативне анализе методом EВЅ/С, фитовањем одговарајућих спектара помоћу рачунарског програма Channeling SIMulation (CSIM), који је развијен у Лаборторији за физику Института за нуклеарне науке „Винча“, добијени су профили аморфизације 6Н-ЅiС кристала по дубини. Анализом µR спектара снимљених дуж попречног пресека имплантираног дела кристала, утврђен је тип и дубинска расподела аморфизације кристалне структуре 6Н-ЅiС. Такође, ови резултати су проверени помоћу SEM микроскопије. Профили аморфизације по дубинама добијени различитим методама показују веома добро међусобно слагање.

Ion implantation is a method for modification of surface and deeper layers of materials, (up to several micrometers), which enables a good control of depth and thickness of modified layers. During the ion implantation process, the crystal structure of a material is damaged. In the case of a monocrystal the damage is reduced for a good alignment of an ion beam and a crystallographic axis of the crystal, when the ion channeling effect occurs, which, at the same time, enables greater depths of ion’s penetration. Silicon carbide (SiC) is a semiconductor material with exceptional physical and chemical properties for a wide range of applications, from the production of high-voltage and high power semiconductor components, usage in extreme conditions (e.g. space), up to application as a shielding material in nuclear reactors. In order to investigate the influence of high-energy ion channeling implantation, carbon (C3+) and silicon (Si3+) ions of 4 MeV energy were implanted in the 6H-SiC single crystal. Implanted fluences were in the range from 4.17×1014 ions · cm−2 to 2.02×1016 ions · cm−2 . Ion elastic backscattering channeling spectrometry (EBS/C), micro-Raman (µR) spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM) were used for quantitative and qualitative analysis of the damage of 6H-SiC single crystals. Quantified damage depth profiles of 6H-SiC crystals were obtained by fitting the EBS/C spectrum using the Channeling SIMulation program code (CSIM), developed in Laboratory of Physics, Vinča Institute of Nuclear Sciencies. By monitoring the characteristic bands in the µR spectra recorded along the cross section of the implanted part of the crystal, the type and depth distribution of damage to the crystal structure 6H-SiC was determined. These results were also verified using SEM. Depth damage profiles obtained by different methods show very good agreement with each other.