Cluster effects in collisional processes in a Si crystal bombarded with 10-540-keV C ions

10-540keV Cイオンによって衝撃されたSi結晶中での衝突過程におけるクラスター効果

鳴海 一雅; 楢本 洋*; 山田 圭介; 千葉 敦也; 齋藤 勇一; 森田 陽亮*; 中嶋 薫*; 木村 健二*; 前田 佳均

Narumi, Kazumasa; Naramoto, Hiroshi*; Yamada, Keisuke; Chiba, Atsuya; Saito, Yuichi; Morita, Yosuke*; Nakajima, Kaoru*; Kimura, Kenji*; Maeda, Yoshihito

10-540keV Cイオン衝撃したSi結晶の損傷の蓄積及びスパッタリング収量に対するクラスター効果を調べた。Cイオン1個の衝撃による影響領域を円柱状と仮定すると、格子位置から変位したSi原子の面密度の照射量依存性がよく説明でき、このことはkeV Cイオン衝撃によるSi中の損傷蓄積がイオントラック的描像で説明できることを意味する。Cイオン1個の衝撃によって変位したSi原子数のエネルギー依存性は、SRIM2008で計算したC単原子イオン衝撃によるのエネルギー依存性と異なる。Si中の照射損傷に対する非線形効果を、炭素原子1個あたりの変位Si原子数の比/(60)で評価すると、100keV近辺で最大(50以上)になる。そのエネルギー依存性は核的阻止能とSi中での炭素原子間距離の増大によって定性的に説明できる。一方、スパッタリング収量は、100keV近辺で最大値(Cあたり約600)を取る。Sigmundの線形カスケード理論から予測されるC単原子イオン衝撃によるスパッタリング収量と比較すると、スパッタリング収量に対する非線形効果はCのエネルギーに依存し、スパッタリング収量が最大になるエネルギー近辺で最大になった。一方で、10keVでは非線形効果はほとんど認められなかった。また、依存性(はクラスターを構成する原子数)が観測されなかったことから、非線形効果が少なくとも熱スパイク効果では説明できないことが明らかになった。

We have investigated cluster effects on damage accumulation and sputtering yield in bombardment of a Si crystal with 10-540-keV C ions. Fluence dependence of the areal density of displaced Si atoms can be well described by assuming a cylindrical volume affected by single-C-ion bombardment, which means an ion-track-like picture in damage accumulation in Si bombarded with keV C ions. The energy dependence of the number of displaced Si atoms by single-C-ion bombardment, N, is different from that of N by monatomic-C-ion bombardment calculated with SRIM2008. The number ratio of displaced Si atoms per C atom N/(60N) which demonstrates the magnitude of the nonlinear effect on damage in Si has shown that the effect is huge and has the maximum around 100 keV. The energy dependence of the ratio can be explained qualitatively by nuclear stopping powers and increase of internuclear distances between C atoms in Si. The sputtering yield has the maximum, ca. 600 per C ion, around 100 keV. Comparing with the monatomic-ion-induced sputtering yield predicted by the linear-cascade theory by Sigmund, nonlinear effect on sputtering yield has been found. It depends on the ion energy: It is more pronounced around the energy where the sputtering yield has the maximum and hardly observed at 10 keV. No n dependence is found, where n is the number of atoms consisting of the projectile cluster.