1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2025-30-6-683-693RYOBHQ537.534.35Фундаментальные исследованияElectron microscopy studies of crystalline silicon after low-energy xenon ion irradiationЭлектронно-микроскопические исследования монокристаллического кремния после облучения ионами ксенона низких энергийПодорожний Олег ВитальевичПодорожнийОлег ВитальевичPodorozhniyOleg V.Oleg V. PodorozhniyКиреев Георгий СергеевичКиреевГеоргий СергеевичKireevGeorgii S.Georgii S. KireevКузнецов Вадим АлександровичКузнецовВадим АлександровичKuznetsovVadim A.Vadim A. KuznetsovРешетняк Александра РомановнаРешетнякАлександра РомановнаReshetnyakAlexandra R.Alexandra R. ReshetnyakРумянцев Александр ВладимировичРумянцевАлександр ВладимировичRumyantsevAlexander V.Alexander V. RumyantsevНациональный исследовательский университет «МИЭТ», Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 126122025Том. 30 №6683693http://ivuz-e.ru/issues/Том 30 №6/elektronno_mikroskopicheskie_issledovaniya_monokristallicheskogo_kremniya_posle_oblucheniya_ionami_k/http://ivuz-e.ru#

In modern nanotechnology, the studies of the interaction of accelerated ions with atoms of irradiated materials are necessary for the effective use of ion beams. The state of the near-surface regions subjected to ion irradiation during the fabrication and modification of various structures significantly affects their characteristics, hence the data on the distribution of implanted beam ions in the sample and their effect on the structure of the amorphized material are of importance. In this work, cross-sectional samples were prepared from single-crystal silicon substrates irradiated with xenon ions with a dose of about 1016 cm–2 and energy of 5 and 8 keV, and then were studied by scanning transmission electron microscopy and energy-dispersive X-ray microanalysis. Clusters formed by implanted xenon atoms in the amorphized silicon layer were revealed in the obtained images and chemical element distribution maps. The experimental images of the cross-sectional sample of the substrate bombarded with 8 keV ions were obtained and processed. The geometric parameters of xenon clusters, the modal size of which was 1.5 nm, have been determined. Additional studies of the prepared plan-view thin foil specimen were carried out using the electron diffraction technique. The experimental profiles of the implanted xenon atom concentration were compared with the results obtained by Monte Carlo computer simulations using different mechanisms of implanted atom outgassing. The experimentally determined and calculated values of the peak xenon concentration are in good agreement and amount to about 5 at. %.

В современных нанотехнологиях для эффективного применения ионных пучков необходимо проводить исследования взаимодействия ускоренных ионов с атомами облучаемых материалов. Состояние приповерхностных областей, подвергнутых ионному воздействию при создании и модификации различных структур, оказывает существенное влияние на их характеристики, поэтому важное значение имеют данные о распределении имплантированных ионов пучка в образце и их влиянии на структуру аморфизованного материала. В работе с применением методов просвечивающей растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеновского микроанализа изучены образцы подложек монокристаллического кремния поперечного сечения, облученных ионами ксенона с энергией 5 и 8 кэВ и дозой около 1016 см–2. На изображениях и картах распределения химических элементов выявлены кластеры, образованные имплантированными атомами ксенона в аморфизованном слое кремния. Получены и обработаны микрофотографии образца поперечного сечения подложки, бомбардированной ионами с энергией 8 кэВ. Определены геометрические параметры кластеров ксенона, модальный размер которых составил 1,5 нм. Методом дифракции электронов проведены дополнительные исследования подготовленной тонкой фольги планарного сечения. Проведено сравнение профилей концентрации имплантированных атомов ксенона, полученных экспериментально, с результатами компьютерного моделирования методом Монте-Карло с использованием разных механизмов дегазации имплантированных атомов. Экспериментально установленные и расчетные значения пиковой концентрации ксенона хорошо согласуются и составляют около 5 ат. %.

ионная имплантациякремнийксенонцифровая обработка изображенийдифракция электроновметод Монте-Карлоion implantationsiliconxenondigital image processingelectron diffractionMonte Carlo technique: экспериментальные исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (Соглашение FSMR-2023-0003) с использованием оборудования ЦКП «Диагностика и модификация микроструктур и нанообъектов», работы по моделированию – в рамках реализации программы развития Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» при поддержке программы государственной поддержки университетов Российской Федерации «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты». Благодарности: авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры физической электроники МГУ имени М. В. Ломоносова канд. физ.-мат. наук А. Е. Иешкину и Д. К. Миннебаеву за предоставленные образцы монокристаллического кремния, облученного ионами ксенона.the experimental studies were carried out with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation within the framework of the state assignment (Agreement FSMR-2023-0003) using the equipment of the Center for Collective Use “Diagnostics and Modification of Microstructures and Nanoobjects”, the modeling work was carried out within the framework of the implementation of the development program of the National Research University of Electronic Technology with the support of the state support program for universities of the Russian Federation “Priority 2030” of the national project “Science and Universities”. Acknowledgments: the authors would like to thank A. E. Ieshkin, Cand. Sci. (Phys.-Math), and D. K. Minnebaev, members of the Department of Physical Electronics at Lomonosov Moscow State University, for providing samples of single-crystal silicon irradiated with xenon ions. Ghosh B., Ray S. C., Pattanaik S., Sarma S., Mishra D. K., Pontsho M., Pong W. F. Tuning of the electronic structure and magnetic properties of xenon ion implanted zinc oxide. J. Phys. D: Appl. Phys. 2018;51(9):095304. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaa832Li Y., Takino H., Frost F. Ion beam planarization of diamond turned surfaces with various roughness profiles. Optics Express. 2017;25(7):7828–7838. https://doi.org/10.1364/OE.25.007828Vásquez L., Redondo-Cubero A., Lorenz K., Palomares F. J., Cuerno R. Surface nanopatterning by ion beam irradiation: Compositional effects. J. Phys.: Condens. Matter. 2022;34(33):333002. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac75a1Höflich K., Hobler G., Allen F. I., Wirtz T., Rius G., McElwee-White L. et al. Roadmap for focused ion beam technologies. Appl. Phys. Rev. 2023;10(4):041311. https://doi.org/10.1063/5.0162597Sawyer W. D., Weber J., Nabert G., Schmälzlin J., Habermeier H.-U. Implantation and diffusion of noble gas atoms during ion-beam etching of silicon. J. Appl. Phys. 1990;68(12):6179–6186. https://doi.org/10.1063/1.346908Fleischer E. L., Norton M. G. Noble gas inclusions in materials. Heterogen. Chem. Rev. 1996;3:171–201.Vashist L., Gopidi H. R., Khan M. R., Malyi O. I. Noble gas functional defect with unusual relaxation pattern in solids. J. Phys. Chem. Lett. 2023;14(40):9090−9095. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01580Burcea R., Bouteiller H., Hurand S., Eklund P., Barbot J.-F. Effect of induced defects on conduction mechanisms of noble-gas-implanted ScN thin films. J. Appl. Phys. 2023;134(5):055107. https://doi.org/10.1063/5.0137428Fiedler H., Fuchs F., Leveneur J., Nancarrow M., Mitchell D. R. G., Schuster J., Kennedy J. Giant piezo-electricity of deformed aluminum nitride stabilized through noble gas interstitials for energy efficient resonators. Adv. Electron. Mater. 2021;7(8):2100358. https://doi.org/10.1002/aelm.202100358Hlawacek G., Veligura V., Gastel R. van, Poelsema B. Helium ion microscopy. J. Vac. Sci. Technol. B. 2014;32(2):020801. https://doi.org/10.1116/1.4863676Petrov Yu. V., Vyvenko O. F. Scanning reflection ion microscopy in a helium ion microscope. Beilstein J. Nanotechnol. 2015;6(1):1125–1137. https://doi.org/10.3762/bjnano.6.114Chkhalo N. I., Churin S. A., Pestov A. E., Salashchenko N. N., Vainer Yu. A., Zorina M. V. Roughness measurement and ion-beam polishing of super-smooth optical surfaces of fused quartz and optical ceramics. Optics Express. 2014;22(17):20094–20106. https://doi.org/10.1364/OE.22.020094Ziberi B., Frost F., Höche T., Rauschenbach B. Ripple pattern formation on silicon surfaces by low-energy ion-beam erosion: Experiment and theory. Phys. Rev. B. 2005;72(23):235310. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.235310Smith N. S., Notte J. A., Steele A. V. Advances in source technology for focused ion beam instruments. MRS Bulletin. 2014;39(4):329–335. https://doi.org/10.1557/mrs.2014.53Donovan E. P., Hubler G. K., Waddell C. N. Correlation of optical changes in amorphous Ge with enthalpy of relaxation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 1987;19–20(2):590–594. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(87)80118-0Huang J., Loeffler M., Muehle U., Moeller W., Mulders H., Kwakman L., Zschech E. A study of gallium FIB induced silicon amorphization using TEM, APT and BCA simulation. Microsc. Microanal. 2015;21(S3):1839–1840. https://doi.org/10.1017/S1431927615009976Румянцев А. В., Приходько А. С., Боргардт Н. И. Исследование аморфизации кремния ионами галлия на основе сопоставления расчетных и экспериментальных электронно-микроскопических изображений. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020;(9):103–108. https://doi.org/10.31857/S1028096020090174. EDN: ANPIOI.Rumyantsev A. V., Prikhodko A. S., Borgardt N. I. Study of gallium-ion-induced silicon amorphization by matching experimental and simulated electron-microscopy images. J. Surf. Investig. 2020;14:956–960. https://doi.org/10.1134/S1027451020050171Подорожний О. В., Румянцев А. В., Волков Р. Л., Боргардт Н. И. Моделирование процессов распыления материала и имплантации галлия при воздействии фокусированного ионного пучка на кремниевую подложку. Изв. вузов. Электроника. 2023;28(5):555–568. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-5-555-568. EDN: ZCQJUF.Podorozhniy O. V., Rumyantsev A. V., Volkov R. L., Borgardt N. I. Simulation of material sputtering and gallium implantation during focused ion beam irradiation of a silicon substrate. Semiconductors. 2023;57(1):58–64. https://doi.org/10.1134/S1063782623010086Бачурин В. И., Журавлев И. В., Пухов Д. Э., Рудый А. С., Симакин С. Г., Смирнова М. А., Чурилов А. Б. Угловые зависимости распыления кремния фокусированным ионным пучком галлия. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2020;(8):34–41. https://doi.org/10.31857/S102809602008004X. EDN: JNFXJY.Bachurin V. I., Zhuravlev I. V., Pukhov D. E., Rudy A. S., Simakin S. G., Smirnova M. A., Churilov A. B. Angular dependences of silicon sputtering by gallium focused ion beam. J. Surf. Investig. 2020;14:784–790. https://doi.org/10.1134/S1027451020040229Rumyantsev A. V., Borgardt N. I., Prikhodko A. S., Chaplygin Yu. A. Characterizing interface structure between crystalline and ion bombarded silicon by transmission electron microscopy and molecular dynamics simulations. Appl. Surf. Sci. 2020;540(1):148278. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148278Calligaris G. A., Lang R., Bettini J., Santos A. O. dos, Cardoso L. P. Xenon nanobubbles and residual defects in annealed Xe-implanted Si(001): Analysis by the combination of advanced synchrotron X-ray diffraction and transmission electron microscopy techniques. Adv. Mater. Technol. 2024;9(12):2301621. https://doi.org/10.1002/admt.202301621Mayer J., Giannuzzi L. A., Kamino T., Michael J. TEM sample preparation and FIB-induced damage. MRS Bulletin. 2007;32(5):400–407. https://doi.org/10.1557/mrs2007.63Prikhodko A. S., Zallo E., Calarco R., Borgardt N. I. A refined plan-view specimen preparation technique for high-quality electron microscopy studies of epitaxially grown atomically thin 2D layers. Ultramicroscopy. 2024;267:114063. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2024.114063Подорожний О. В., Румянцев А. В., Боргардт Н. И., Миннебаев Д. К., Иешкин А. Е. Исследование аморфизации кремния ионами ксенона с использованием просвечивающей электронной микроскопии и моделирования методом Монте-Карло. Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. 2025;(3):45–50. https://doi.org/10.31857/S1028096025030074. EDN: ELTCQI.Podorozhniy O. V., Rumyantsev A. V., Borgardt N. I., Minnebaev D. K., Ieshkin A. E. Study of xenon ion-induced silicon amorphization using transmission electron microscopy and Monte Carlo simulation. J. Surf. Investig. 2025;19(2):309–313. https://doi.org/ 10.1134/S1027451025700430.Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. 3-е изд., испр. и доп. М.: Техносфера; 2012. 1104 с.Gonzalez R. C., Woods R. E. Digital image processing. 3rd ed. New York: Pearson; 2007. 976 p.Dhanachandra N., Manglem K., Chanu Y. J. Image segmentation using K-means clustering algorithm and subtractive clustering algorithm. Procedia Comput. Sci. 2015;54:764–771. https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.06.090Arthur D., Vassilvitskii S. K-means++: The advantages of careful seeding. In: SODA’07: Proceedings of the Eighteenth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms. New Orleans, LA: Society for Industrial and Applied Mathematics; 2007, pp. 1027–1035.Gammer C., Mangler C., Rentenberger C., Karnthaler H. P. Quantitative local profile analysis of nanomaterials by electron diffraction. Scripta Materialia. 2010;63(3):312–315. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.04.019Borgardt N. I., Rumyantsev A. V., Volkov R. L., Chaplygin Yu. A. Sputtering of redeposited material in focused ion beam silicon processing. Mater. Res. Express. 2018;5(2):025905. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaace1Mutzke A., Schneider R., Eckstein W. et al. SDTrimSP Version 5.05. Garching: IPP; 2015. 70 p.Wilson W. D., Haggmark L. G., Biersack J. P. Calculations of nuclear stopping, ranges, and straggling in the low-energy region. Phys. Rev. B. 1977;15(5):2458. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.15.2458Oen O. S., Robinson M. T. Computer studies of the reflection of light ions from solids. Nucl. Instrum. Methods. 1976;132:647–653. https://doi.org/10.1016/0029-554X(76)90806-5Lindhard J., Scharff M. Energy dissipation by ions in the keV region. Phys. Rev. 1961;124(1):128. https://doi.org/10.1103/PhysRev.124.128Eckstein W. Computer simulation of ion-solid interactions. Berlin; Heidelberg: Springer; 1991. xi, 296 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-73513-4Süle P., Heinig K.-H. The molecular dynamics simulation of ion-induced ripple growth. J. Chem. Phys. 2009;131(20):204704. https://doi.org/10.1063/1.3264887Mutzke A., Eckstein W. Ion fluence dependence of the Si sputtering yield by noble gas ion bombardment. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2008;266(6):872–876. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2008.01.053Wittmaack K. Analytical description of the sputtering yields of silicon bombarded with normally incident ions. Phys. Rev. B. 2003;68(23):235211. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.235211