Введение к работе
Актуальность работы. Кремний, оставаясь материалом номер один в современной микроэлектронике, постепенно становится и конструкционным материалом для микромашин, сенсоров, микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС/НЭМС) и других гибридных продуктов нанотехнологий [І] В связи с этим, даже небольшие изменения его механических свойств под действием различіп>іх внешних факторов (в том числе и р-облучения) становятся существенными, а их изучение - актуальным
Диссертационная работа посвящена исследованию динамики изменения механических свойств кремния, иццуцированного низкоинтенсивным (105 см 2с1 < / < 3 106 cm'V') р-облучением
Известно, что физические, в том числе и механические свойства Si находятся в сильной зависимости от типа и концентрации радиационных дефектов (РД), процесс формирования которых наилучшим образом исследован в области умеренных (> ~ 1 108 Гр) доз Область малых доз (D < 1 Гр) исследована значительно меньше Вместе с тем существуют данные (правда, не очень многочисленные), что облучение малыми дозами радиации физических и биологических объектов может вызвать специфические отклики, существенно отличающиеся от наблюдаемых при умерештых дозах Так, например, в различных материалах регистрировали немонотонные зависимости отклика от флюенса с инверсией знака эффекта, которые до сих пор не удается объяснить с позиции теории взаимодействия заряженных частиц с веществом, развитой для больших и умеренных доз [2-7]
Воздействие низкоинтенсивного р-облучения на кремний происходит при электронно-лучевой литографии [8], при исследовании в электронном микроскопе, при воздействии космического излучения на солнечные батареи и тп Глубина проникновения электронов с энергией Е - 0,5 1 МэВ в кремнии составляет десятки микрометров [9] Именно этот слой и представляет наибольший интерес, как для планарной микроэлектроники, так и для микросистемной техники Закономерности и причины изменения механических свойств образцов при малодозовых воздействиях могут быть весьма специфичшлми и непохожими на таковые при облучении умеренными дозами и большими До настоящего времени информация о малодозовых эффектах в кремнии весьма скудна, а в отношении механических свойств и ювсе обрывочна и зачастую противоречива. Это делает актуальным систематическое изучение последних (особенно в свете расширяющегося использования кремния в качестве конструкционного материала для микросистемной техники)
В связи со всем выше сказанным, целью работы являлось изучение влияния низкоинтенсивного (интервал / = (1 100)105 cmV, D < 1 Гр) ионизирующего облучения на механические свойства монокристаллического кремния
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи
1 Исследовать радиациошю-стимулировагеше изменения микротвердости
монокристаллов кремния в зависимости от типа и концентрации примеси, а также
от интенсивности облучения в диапазоне интенсивностей /=(1 lOOHOWV
-
Выяснить природу вторичных радиационных дефектов, ответственных за изменение микротвердости кремния на разных стадиях облучения, используя различные взаимодополняющие методы (метод изохронного отжига, исследование зависимости скорости относительного изменения микротвердости от интенсивности облучения, а также метод НЕСГУ - нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней (DLTS - deep-level transient spectroscopy)
-
Предложить механизмы преобразования структуры вторичных радиационных дефектов под действием низкоинтенсивного ионизирующего облучения Научная новизна работы заключается в следующем
Обнаружено и исследовано немонотонное во времени (W-образное) изменение микротвердости монокристаллов кремния, инициируемое малыми дозами (D < 1 Гр) Р-облучения
В результате проведенных in situ исследований промежуточных стадий формирования вторичных радиационных дефектов в процессе облучения кремния р-частицами подобраны условия, в которых наблюдались качественно различные отклики материала на радиационное воздействие
Установлено критические значения длительности облучения ( = 1,25 час) и флюенса (F = 0,3 1010 см"2), при плотности потока частиц / = 106 см Vі, в окрестности которых меняется знак радиационно-пластического эффекта
Установлен тип дефектов, ответственных за изменение микротвердости на разных стадиях облучения кремния, а именно — за первый пик разупрочнения отвечает комплекс V2-0-C, за стадию промежуточного восстановления ответственны комплексы Q-Cs> Vz, и/или V3, и за стадию повторного разупрочнения - соответственно А-цешры и/или Q-Oj
Научная ценность и практическая значимость проделанной работы заключается в выявлении закономерностей радиационно-пластического эффекта в кремнии в области малых доз (D < 1 Гр) и флюенсов (F < 1012 см"2) ионизирующего Р-облучения Предложена модель процесса преобразования подсистемы вторичных радиационных дефектов, протекающего при низкоинтенсивном облучении кремния, сопровождающегося немонотонным изменением микротвердости
Полученные результаты дают возможность в заданных временных интервалах модифицировать механические свойства кремния посредством низкоинтенсивного облучения Найдены нижние границы флюенса и дозы Р-облучения (со средней энергией электронов Е ~ 0,5 МэВ), не приводящие к заметным изменениям механических свойств (в пределах точности измерения + 3 %) Проведенные исследования открывают перспективу повышения радиационной стойкости и стабилизации механических свойств функциональных материалов, что позволит увеличить точность приборов, создаваемых на базе кремния
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1. Закономерности обнаруженного немонотонного изменения
микротвердости монокристаллов кремния, индуцируемого непрерывным действием низкоинтенсивного ионизирующего р-облучения
-
Закономерности обнаруженного пострадиационного эффекта -самопроизвольного немонотонного изменения микротвердости, индуцируемого предварительным кратковременным облучением
-
Идентифицированный набор радиационных дефектов, ответственных за каждую стадию изменения микротвердости
-
Модель процесса преобразования подсистемы вторичных радиационных дефектов, протекающего при низкоинтенсивном облучении кремния
Апробация работы. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах
- ХШ, ХЫИ, XLIV Международная конференция «Актуальные проблемы
прочности» (Калуга-2004, Витебск-2004, Вологда-2005),
Современная химическая физика. XVI Симпозиум (Туапсе, 2004),
The XXI International conference on relaxation phenomena in solids (Voronezh, 2004),
ПІ International conference Fundamental problems of physics (Kazan, 2005),
XVI Петербургские чтения по проблемам прочности Посвященные 75-летию со дня рождения В А Лихачева (Санкт-Петербург, 2006),
- XXXVI, XXXVII Международная конференция по физике взаимодействия
заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2006,2007),
- IV Международная конференция «Фазовые превращения и прочность
кристаллов», посвященная памяти академика Г В Курдюмова (Черноголовка, 2006),
Ш Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2006),
- 8* Biennial International Workshop «Fullerenes and atomic clusters» (StPeterburg,2007)
Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в
диссертационной работе. В работах, опубликованных в соавторстве, автору
принадлежит проведение экспериментов, математическая обработка
экспериментальных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 6 статьях и 10 тезисах Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах, список которых приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 137 наименований Полный объем составляет 122 страниц машинописного текста, в том числе 36 иллюстраций и 3 таблицы
Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 06-02-96321), грант «Поддержка научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России»
Похожие диссертации на Динамика изменения механических свойств кремния, индуцированного низкоинтенсивным Z-облучением
