Введение к работе
. Актуальность проблемы. В наотоящее время определился широкий круг проблем, решение которых связано с изучением различных эффектов. вызываемых ионизирующим излучением в облучаемых объектах. К таким проблемам относится, например, проблема надежности функционирования приборов микроэлектроники в полях ионизирующего излучения радиационных поясов Земли. Воздействие излучения на вещество приводит к радиационным эффектам (РЭ), первопричиной которых является поглощенная в результате взаимодействия излучения с веществом энергия. Однако, проявление многих РЭ не определяется однозначно среднее поглощенной единицей массы вещества энергией. Это связано с тем, что такие РЭ вызываются поражением отдельных чувствительных объемов облучаемого объекта, т.е. некоторый критическим значением энерговыделения именно в этих объемах. Например, радиаци-онно-индуцированный сбой в работе интегральной схемы запоминающего устройства (ЗУ) может быть связан с критическим энерговыделением в области (р-п)-переходов элементов ЗУ^
Среди ионизирующих частиц радиационных поясов Земли быстрые ионы (энергия І-ІОО МэВ/нуклон) представляют собой наиболее существенный фактор, определяющий радиационное;поражение микроэлектронных приборов. Пространственное распределение энерговиделиния ионов в веществе существенно неоднородно. Стохастичность взаимодействия излучения с веществом проявляется в том, что-поглощенная в некотором объеме облучаемого объекта энергия является случайной величиной. Поэтому для описания энерговыделения в облучаемом ионами веществе недостаточно определить пространственное распределение выделившейся энергии, необходимо еще описание флуктуации энерговыделения. Проявление РЭ необходимо связывать со структурой энерговыделения ионов, т.е. как со средней величиной выделившейся в чувствительном объеме энергии, так и с флуктуациями ее.
Прямые экспериментальные методы определения структуры энерговыделения в треке иона применимы только для тканеэквивалентных материалов (36 Доклад МКРЕ). Существующие теоретические данные по структуре энергогыделекия быстрых ионов в нетканеэквивалентннх. замедлителях получены, как правило., на базе упрощзшшх моделей взаимодействия излучения с веществом. Таким образ ш. весьма актуальной является задача уточнения модели формирования энергоЕыде-
ления быстрых ионов в веществе а изучения на ее основе структуры энерговыделения в треках ионов. Наиболее приемлемым для этой цели , теоретическим методом следует признать-метод Монте-Карло. Цель работы. В диссертационной работе была поставлена задача исследования микроструктуры энерговыделения в треках быстрых ионов в веществе. Для решения этой задачи необходимо: '- детально проанализировать физические процессы взаимодействия с веществом быстрых ионов и инициализируемых ими вторичных излучений с точки зрения важности учета каждого из них для адекват- ного модельного описания энерговыделения;
разработать математическую модель переноса в веществе быстрых ионов и вторичных излучений и создать программное обеспечение для детального моделирования процессов замедления в веществе быстрых ионов и вторичных излучений методом Ыонте - Карло,-
создать архив исходной информации, необходимой для моделирования процессов переноса в веществе быстрых ионов, фотонов и электронов средних и низких энергий;
провести исследование микроструктуры энерговцделения в треках быстрых ионов в основных конструкционных материалах микроэлектроники - в кремнии и германии,-
получить на основе результатов детального моделирования эмпирические соотношения для описания микроструктуры энерговыделения в треках быстрых ионов в si и Ge, пригодные для инженерных расчетов радиационной стойкости микроэлектронных приборов.
Научная новизна работы. На основе анализа процессов взаимодействия с веществом быстрых ионов и инициализируемых ими вторичных излучений установлены основные процессы, определяющие структуру энерговыделекия в облучаемой ионами шгаени. Впервые в СССР разработано универсальное математическое обеспечение, позволяющее определять с помощью метода Монте-Карло дифференциальные характеристики полей ионизирующих излучений, формирующихся в веществе ионами, электронами и фотонами. Создан не имеющий аналогов в СССР архив исходной информации, содержащий детальную информацию о характеристиках основных процессов взаимодействия с веществом быстрых ионов, фотонов и электронов средних и низких энергий.
Проведено детальное моделирование прохождения ионов и высвобождаемых ими а-электронов в si и Ge; 'на основе результатов кото-
рого впервые получено описание пространственного распределения энерговыделения в треках эмпирическими формулами. Впервые проведено микродозиметрическое исследование энерговыделения в окрестности трека быстрого иона в кремнии, основанное на детальном моделировании процессов замедления излучения в веществе. Получено феноменологическое описание спектров энерговыделения одиночного пона в субмикронных объемах в окрестности трека в si, показана возможность скейлинга этих спектров по заряду и скорости иона. Практическая ценность работы. Созданный' программный комплекс, включающий программу моделирования процессов замедления в веществе ионов, электронов и фотонов и архив необходимой исходной ин-. формации, может применяться не только при решении задач радиационной физики методами математического моделирования, но и, например, при разработке и оптимизации экспериментальных методик.
Полученное в работе эмпирическое и феноменологическое описание микроструктуры энерговыделения в треках быстрого иона в si и Ge может применяться для проведения быстрых инженерных расчетов пространственного распределения выделения энергии в мишенях сложной геометрии. Применение этого описания позволит, например, определить но прибегая к моделированию распределение выделенной продуктами ядерных реакций энергии. Это мржет-быть необходимым при оценках радиационной стойкости функционирующих в полях ионизирующих излучений микроэлектронных приборов. . Апробация работы. Основные положения п результаты диссертационной работы прошли апробацию на Втором совещании по вторичной электронной эмиссии (Ленинград-1983),- на Четвертой и Пятой Всесоюзных научных конференциях по защите от ионизирующих излучений ядерно -технических установок (Томск-1985, Протвино-1989), на Втором и Третьем Всесоюзных семинарах "МИКРОЛИТОГРАФИЯ" (Черноголовка-' 1988, 1990). Результаты работы докладывались на научных семинарах в КазГУ им. СМ. Кирова, в ИФВЭ АН Каз.ССР,. в ЛИЯФ АН СССР, в Радиевом институте им. В. Г. Хлошша. Результаты работы использовались при проведении научных исследований в институте физической химии им. Л. В. Писаржевского АН УССР, в ЛП1! им. М. И. Калинина, в ЛИЯФ им. Б. П. Константинова АН CCCF. Основные результаты работы опубликованы в-виде статей в советских и зарубежных периодл"оских изданиях, в виде препринтов ИФВЭ АН Каз.ССР, в виде тезисов док-
ладов и докладов на семинарах и конференциях. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы п прилохения. Объем диссертации составляет 129 страниц., включая 18 рисунков, 5 таблиц и библиографию на 137 наименований. Вклад автора. Личный вклад автора в представленной работе состоит в разработке модели формирования энерговыделения в треках быстрых ионов в веществе, алгоритмов расчета сечений и моделирования методом Монте-Карло основных процессов взаимодействия с веществом быстрых ионов и электронов средних и низких энергий. Автор принимал непосредственное участие в создании программного обеспечения, в разработке структуры архива, наполнении его исходной информацией, проводил расчеты, результаты которых представлены в работе, анализировал и обрабатывал результаты моделирования, подготавливал публикации и участвовал во внедрении полученных результатов. Основные полонення диссертации, выносимые на защиту. '
-
Модельное описание процессов формирования энерговыделения в облучаемом быстрыми ионами веществе.
-
Архив необходимой для детального моделирования выделения энергии в треке быстрого иона в веществе исходной информации, содержащий согласованные наборы сечений основных процессов взаимодействия с веществом быстрых ионов, электронов средних и низких энергий и фотонов <более чем для 40 материалов).
-
Результаты детального моделирования энерговыделения, в треках быстрых ионов в кремнии и германии..
4.Эмпирическое описание энерговыделения в треках быстрых ионов.в si и Ge, феноменологическое описание спектров энерговыделения одиночного быстрого иона в объемах субмикронных размеров в окрестности трека в si.
