Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие ядерной энергетики вызвало необходимость создания конструкционных материалов, которые по своим свойствам должны были наиболее адекватно соответствовать технологическим режимам их эксплуатации.
Для проведения испытаний на радиационную стойкость требовались длительные времена облучения материалов в реакторах для набора высоких флюенсов нейтронов, это, в свою очередь, приводило к существенной активации изучаемых образцов, что затрудняло их поолерадиационные исследования и вызывало необходимость применения "горячих" камер или длительных времен выдерживания облученных образцов для уменьшения их наведенной активности.
программы по созданию нового типа ядерной энергетики - термоядерной, сформулировали свои, особые критерии для материалов конструкций, которые должны работать в полях нейтронов с энергией 14 МэВ и при воздействии плазмы.
С развитием ускорительной техники и, как следствие, появлением мощных источников заряженных частиц: электронов, протонов, легких и тяжелых ионов, одним из направлений исследований, помимо ядерной и атомной физики, которое стало интенсивно развиваться, является радиационная физика твердого тела (РФТТ). Это направление бистро получило развитие в ряде ведущих центров развитых стран. В настоящее время заряженные частицы стали широко применяться для моделирования воздействия нейтронов па используемые и вновь разрабатываемые материалы ядерных, энергетических и исследовательских установок. Изучением таких явлений, как составной частью РФТТ, занимается радиационное материаловедение.
Другим важным научным направлением, непосредственно связаным с практическим применением, служит ионное легирование полупроводниковых монокристаллов для модификации их свойств: создание изолирующих, проводящих и геттерирущих слоев и объемных структур, например, для увеличения емкости ячеек памяти.
Создание ускорителей тяжелых ионов с высокими интенсивностями ионных пучков и энергиями, превышающими 1 НэВ/а.е.м., существенно расширило проводимые исследования как для развития общих представлений РФТТ, так и для модифицирования материалов с целью радиационно-стимулированного изменения их свойств и для создания новых технологий в полупроводниковой технике. В первую очередь это связано со значительным увеличением проективных пробегов в облучаемых материалах до величин 10 мкм и более, что позволяет исключать влияние поверхностных стоков для точечных дефектов и считать такие слои макроскопическими.
Увеличение энергии ионов приводит к значительному возрастанию удельных ионизационных потерь энергии в сравнении с упругими потерями, что изменяет характер накопления дефектов и их эволюции в процессе облучения, в особенности для диэлектриков и полупроводников из-за локальных нагревов областей вокруг траекторий тяжелых ионов - "треков", причем времена существования таких структур могут быть достаточными для прохождения процессов кристаллизации и диффузии.
Применяемые в космических исследованиях полупроводниковые приборы, находясь длительное время в космосе, испытывают воздействие космического излучения (в особенности ядер железа с энергиями в сотни МэВ/а.е.м.), что приводит к их выходу из строя, или нарабатывают сбои целых электронных систем' (долговременной памяти компьютеров и так далее). Поэтому тестирование полупроводниковых устройств на радиационную стойкость представляется важным до их реального применения в рабочих условиях. С применением тяжелых ионов высоких энергий можно полностью смоделировать спектр космического излучения в земных условиях и тем самым отобрать наиболее радиационно-стойкие приборы.
Сформулированные выше положения определяют актуальность данной работы и служат доказательством того, что это направление исследований является новым и важным для физики взаимодействия излучений с конденсированными средами.
Цель и задачи работ». Получение экспериментальных данных о взаимодействии тяжелых заряженных частиц - ионов и быстрых нейтронов с конденсированными средами, изучение процессов радиационного дефектообразования, изменений макроскопических свойств и микроструктуры металлов и сплавов, ионного легирования диэлектрических и полупроводниковых материалов, а также определение радиационной стойкости изделий микроэлектроники, исследование процессов эволюции дефектов при послерадиационном отжиге.
Для достижения поставленной цели решались следующие проблемы.
-
Были разработаны вакуумные ионные каналы с установками для облучения вышеперечисленных материалов в температурном интервале от 77 до 1000 К с методами контроля параметров и системами, позволяющими получить необходимые пространственные и энергетические распределения ионных пучков, а также устройства их поддержания и изменения в необходимых пределах в процессе облучения.
-
Развиты экспериментальные методы, созданы методики и устройства, позволяющие проводить исследования радиационных эффектов как непосредственно в процессе облучения, так и при послерадиационных измерениях.
-
Исследование радиационных эффектов в металлах и ряде сплавов при воздействии тяжелых ионов с энергиями более 1 МэВ/а.е.м., в том числе и при послерадиационном отжиге.
-
Получение экспериментальных данных по процессам накопления дефектов в полупроводниковых материалах ггри облучении тяжелыми ионами, по термостабилыгости созданных ионной имплантацией структур, по изменению микроструктуры и ее восстановлении при послерадиационном отжиге.
-
Изучение возможностей моделирования радиационной стабильности полупроводниковых приборов при воздействии различных ионизирующих излучений.
-
Изучение особенностей влияния высокоэнергетической ионной имплантации на изменение поверхностных свойств, микроструктуры и процессов диффузии примесей
в диэлектрических материалах.
7. Получение данных по воздействию тяжелых ионов на модельные и важные в практическом применении поли- и монокристаллы.
Общая методика исследований была направлена на получение информации о процессах дефектообразования в широком классе материалов, протекающих при воздействии на них тяжелых ионов с энергиями от 1 до 10 МэВ/а.е.м. при различных скоростях создания первичных радиационных дефектов. Для ввода радиационных дефектов использовались ускорители тяжелых ионов, а для анализа радиационных эффектов в облученных материалах - сканирующая (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), методы рентгеноструктурного анализа (РЛ), электрон-по-зитронной аннигиляции, измерения механических свойств. Для изучения структуры поверхности - сканирующая электронная и туннельная микроскопия (СТМ), а для полупроводниковых и диэлектрических монокристаллов - стандартные методы и методики (измерения электрических, оптических и других свойств). Комплекс экспериментальных методов обеспечивал взаимопроверяемость эмпирических данных и, тем самым, их достоверность. Экспериментальные исследования проводились на ускорителях тяжелых ионов ЛЯР ОИЯИ, реакторе на быстрых нейтронах ЛНФ ОИЯИ, установках и аналитических приборах ЛЯР ОИЯИ, БГУ (г.Минск), МИФИ, ИМЕТ РАН.
Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые рассмотрены и решены следующие вопросы:
-
Создан комплекс экспериментальных установок для изучения радиационных явлений в металлах, сплавах, полимерных материалах и полупроводниковых приборах и для модификации свойств диэлектриков и полупроводников как в процессе облуче-чения, так и при послерадиационных обработках.
-
Изучены' радиационные эффекты в металлах и сплавах в результате их облучения тяжелыми ионами с энергиями более 1 МэВ/а.е.м. и быстрыми нейтронами.
В частности:
исследованы зависимости радиационного упрочнения ряда чистых металлов от флюенса облучения тяжелыми ионами; показано, что радиационное упрочнение стремится к насыщению при увеличении флюенса, а уровень насыщения эффекта радиационного упрочнения зависит от массы бомбардирующих ионов, что обусловлено различиями в энергетических спектрах первично-выбитых атомов решетки;
методом просвечивающей микроскопии исследована структура меди, облученной ионами ксенона до различных доз повреждений, и установлено, что, как и при облучении легкими ионами и нейтронами, упрочнение обусловлено кластерами дефектов с размерами до 5 нм;
на основе данных по концентрации и размерам кластеров радиационных дефектов, полученных с использованием ПЭМ, показано, что барьерная модель радиационного упрочнения достаточно хорошо описывает экспериментально измеренную зависимость радиационного упрочнения;
при изучении распухания меди, облучаемой ионами ксенона и меди, обнаружен аномальный температурный сдвиг максимума распухания при воздействии ионов ксенона, обусловленный стабилизацией пор ионами ксенона при увеличении температуры облучения;
исследовано радиационно-отжиговое упрочнение ванадия, облученного нейтронами, и показано, что прочностные характеристики облученного ванадия сложным образом изменяются от температуры послерадиационного отжига, но при этом сохраняются различия в прочности, обусловленные исходной структурой.
3. Исследованы процессы дефектообразования в полупроводниковых материалах, облученных тяжелыми ионами с энергиями более 1 МэВ/а.е.м. с различными зарядами ядер.
В частности:
различными методами измерены проективные пробеги ряда легких и тяжелых ионов в монокристаллах полупроводников и диэлектриков, и показано, что отдельные комбинации ион-мишень имеют значительные отличия между измеренными и рассчитанными значениями проективных пробегов;
изучены процессы дефектообразования в кремнии, облученном тяжелыми ионами с различными зарядами ядер; получены результаты по. изменению слоевого электросопротивления и сопротивления растекания, в том числе и при послерадиационном отжиге; исследованы изменения постоянных решетки от флюенсов по глубине иошю-имплантированного слоя; на основании этих данных сделаны оценки концентрации вакансий и проведено сравнение с расчетными значениями;
методом ПЭМ изучена дефектная структура в кремнии после отжига при различных температурах по глубине слоев, имплантированных ионами бора и кислорода, и показано, что при повышении температуры отжига происходит ступенчатая эволюция дефектной структуры;
выяснено, что в зоне максимального дефектообразования имплантированных ионов кластеры дефектов сильно декорированы выделениями кислорода, что свидельствует о геттерирующих свойствах этой зоны.
4. Экспериментально исследованы радиационно-стимулированные процессы в ряде диэлектрических монокристаллов. В частности:
- изучено влияние облучения ионами с различными массами на изменение структуры
поверхности монокристаллов алмаза, и методом туннельной сканирующей микроско
пии показано, что в месте прохождения тяжелого иона на поверхности алмаза об
разуется кратер с диаметром в 30 А, что является прямым доказательством ' суще
ствования "трека" тяжелого иона;
на основе изучения структуры поверхности и аморфизации диэлектрических и полупроводниковых кристаллов предложена модель "трека" тяжелого иона с достаточно высокими удельными ионизационными потерями энергии в таких материалах;
изучены процессы диффузии примесей в алмазе при двойной имплантации, что позволяет использовать эти эффекты для ионного легирования полупроводниковых и диэлектрических материалов, а также для "радиационной очистки" от вредных примесей;
получены экспериментальные данные о вкладе упругих и ионизационных потерь энергии тяжелых ионов в формирование дефектной структуры кристаллов LiF;
исследовано влияние облучения тяжелыми ионами с большими величинами проективных пробегоп на электромеханические характеристики пьезоэлектрических монокристаллов 2п0, и показано, что ряд их параметров, например добротность, улучшились, достигая предельно высоких значений, характерных для элитных образцов, известных из литературы.
Практическая значимость работы.
Экспериментально установленные закономерности, изменения механических свойств металлов, радиационное и радиациошю-отжиговое упрочнение ряда сплавов, облученных высокоэнергетическими тяжелыми ионами и быстрыми нейтронами, могут быть использованы при решении задач физики радиационных повреждений и радиационного материаловедения, связанных с имитацией эффектов нейтронного облучения в конструкционных материалах.
Результаты экспериментов по изучению особенностей высокоэнергетической ионной имплантации в полупроводниковые материалы, по отжигу радиационных дефектов, по термостабильности созданных проводящих слоев, по геттерируюцим свойствам зоны максимального дефектообразования могут найти применение в разработке технологии создания заглубленных ионно-легированных структур сложной конфигурации.
Эффекты радиациошю-стимулированной диффузии легких и тяжелых примесей по "трекам" тяжелых ионов при послерадиационном отжиге имеют важное практическое значение при легировании полупроводниковых монокристаллов.
Полученные коэффициенты эффективности по влиянию различных видов излучения на радиационную стабильность полупроводниковых приборов могут использоваться для оценки пороговых величин флюенсов, приводящих к функциональным отказам как отдельных элементов, так и полупроводниковых устройств в целом.
Обнаруженные эффекты модификации свойств важных в практическом применении монокристаллов, например пьезоэлектрических, после облучения тяжелыми ионами, имеют большое значение для улучшения их характеристик и могут применяться для практического использования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Комплекс экспериментальных установок для облучения материалов с целью
изучения радиационных явлений в металлах, сплавах, полимерных материалах и по
лупроводниковых приборах и для модификации свойств диэлектриков и полупровод-
пиков как в процессе облучения, так и при послерадиационных исследованиях.
-
Радиационные эффекты в металлах и сплавах (поверхностные явления, радиационное упрочнение, радиационно-отжиговое упрочнение и радиационное распухание) в результате их облучения тяжелыми ионами с энергиями более 1 Нэв/а.е.м. и быстрыми нейтронами.
-
Результаты по изучению процессов дефектообразования в полупроводниковых материалах, облученных тяжелыми ионами с энергиями более 1 МэВ/а.е.м., с различными зарядами ядер, по ионному легированию примесями для создания термостабильных проводящих и изолирующих слоев на основе геттерирующих свойств области в зоне остановки тяжелых ионов.
4. Результаты по радиационно-стимулированным процессам миграции примесей в диэлектрических монокристаллах, приводящим к легированию слоев технологическими примесями и перераспределению исходных примесей.
Совокупность результатов, представленных в работе, решает ряд проблем физики радиационной повреждаемости конденсированных сред и модификации свойств материалов, находящих применение в прикладных областях, и стимулирует развитие этого направления как в области фундаментальных исследований, так и для более широкого применения развитых в работе методов в решении прикладных проблем. Эти результаты носят, в основном, фундаментальный характер и могут рассматриваться как значительный вклад в радиационную физику конденсированных сред на пучках тяжелых ионов с энергиями, превышающими 1 Мэв/а.е.м.
Можно считать, что большинство приведенных в работе результатов определяют новое научное направление в радиационной физике конденсированных сред - радиационная повреждаемость и модификация свойств материалов при воздействии тяжелых ионов высоких энергий.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и совещаниях: совещании по ядерным фильтрам и радиационному материаловедению, Дубна, 1986 год; XIX Всесоюзном совещании по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, МГУ, Москва, 1989 год; I международном совещании стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела", Сочи, 1989 год; международном совещании "Ускорительные капиллярные мембраны и их применение в народном хозяйстве", Республика Польша, 1989, 1991, 1993 годы; 15th International Conference on Particle Tracks In Solids, Germany, 1990; Conference on Irradiation in Metals, Hungary, 1991; Научно-технической конференции "Перспективные материалы твердотельной электроники", Минск, 1990 год; Всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов "Радиационная физика твердого тела",
Севастополь, 1991 год; П межотраслевом совещании "Радиационная физика твердого тела", Севастополь, 1992 год; Conference IBMM-92, Heidelberg, Germany, 1992; Second International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter, Bensheim, Germany, 1992; Ш межотраслевом совещании "Радиационная физика твердого тела", Севастополь, 1993 год; 4 European Conference on Diamond, Diamond-like and Re-lared Materials, Portugal, Albufeira,1993; First International Spring School & Simposium on Advances on Materials Science, Cairo, Egypt, 1994; Second Radiation Physics Conference, Cairo, Egypt, 1994; Second International Symposium on Diamond Films, Minsk, Belarus, 1994; 29 Europian Cyclotron Progress Meeting, Dubna, 1994; 17 International Conference "Nuclear Track in Solids", Dubna, 1994; International Conference EPAC, London, 1994, Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника", Лианозово, 1994; 1st International Simposium "Beam Technologies" (ВТ'95), Dubna, Russia, february-march, 1995, Swift Heavy Ions in Matter, Caen, France, May 15-19, 1995.
Публикации.
По материалам, вошедшим в настоящую диссертацию, опубликовано 95 работ, в число которых входят 58 статей в международных и российских научных журналах, тематических сборниках, сообщениях и препринтах Объединенного института ядерных исследований, 32 материала (тезиса) конференций, 2 изобретения и три патента. Основные результаты представлены в 60 работах, вошедших в список цитируемых работ.
Структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объем - 373 стр.: 197 страниц текста, 164 рисунка, 35 таблиц, список литературы содержит 309 работ.
Во введении излагается общий взгляд на проблемы использования тяжелых ионов высоких энергий в радиационных исследованиях конденсированных сред, а также перспективы применения таких ионов как в фундаментальном, так и прикладном аспектах. Обоснована актуальность и сформулирована цель диссертационной работы.
Первая глава посвящена описанию созданного ускорителыю-облучательного комплекса тяжелых ионов в исследованиях радиационных эффектов в различных материалах. Дается сравнение ускорителей тяжелых ионов лаборатории ядерных реакций им.Г.Н.Флерова с ускорителями аналогичного класса других центров по тяжелым ионам. Представлено описание условий облучения образцов и созданных ионных каналов и установок для изучения радиационной повреждаемости твердых тел и модификации их свойств под действием тяжелых ионов с энергиями, превышающими 1 МэВ/а.е.м., а также разработанных устройств для изменения и определения полной интенсивности и распределения плотности потока ионов по облучаемой поверхности, энергии ионных пучков, температуры облучения. Созданные устройства позволяют проводить облучение образцов с размерами до 30 см с однородностью плотности потока не хуже ±5 7., в температурном интервале от 77 до 1000 К и при
2 12 2 контролируемом изменении плотности потока от 10 до 10 ион/(см 'с). Такой
широкий диапазон изменения плотности потока дает возможность осуществлять облучение как полупроводниковых приборов с целью моделирования воздействия частиц космического излучения, так и осуществлять ионное легирование' полупроводниковых материалов до требуемых флюенсов. Применяемый диапазон энергий (от 1 до 10 МэВ/а.е.м.) и масс (от Не до РЪ) ионов предоставляет возможности по облучению материалов с характерными толщинами до 100 мкм, что обеспечивает выполнение условий макроскопичности образцов, а также варьированию скорости введения точечных дефектов и величину удельных ионизационных потерь энергии, что особенно важно для выяснения механизмов формирования "треков" в диэлектри-
ческих и полупроводниковых материалах. Приведен расчет изменения температуры облучения образцов при различных режимах теплоотвода под действием импульсных пучков тяжелых ионов и показано, что температурный разогрев облучаемых образцов, как правило, не превышает нескольких градусов в диапазоне обычно применяемых плотностей потока и энергий ионов. Обсуждены методы подготовки образцов для облучения и послерадиационных исследований. Методы изучения механических свойств и характерные размеры образцов выбирались в соответствии с энергией и пробегами тяжелых ионов: измерение микротвердости применялось при энергиях ионов 1 НэВ/а.е.м. и испытание на растяжение с постоянной скоростью деформации при энергиях более 5 НэВ/а.е.м.
Во второй главе рассмотрены радиационные эффекты в металлах и ряде сплавов, облученных тяжелыми ионами и быстрыми нейтронами.
Лается феноменологическое описание процессов накопления первичных радиационных дефектов в присутствии стоков при импульсном режиме облучения, а также сравнение их квазиравновесных концентраций со случаем непрерывного облучения. Показано, что при низких температурах облучения в определенном температурном интервале реализуется режим быстрого выхода концентраций точечных дефектов на квазистационарный уровень. Изучено влияние плотности стоков, скорости введения дефектов (плотности потока ионных пучков) и температуры облучения на уровень квазистационарных концентраций дефектов, на временные зависимости профилей повреждений, на полуширину дефектного профиля в зоне максимального дефектооб-разования.
Рассмотрены процессы радиационного упрочнения ряда металлов с высокой степенью чистоты, и показано, что радиационное упрочнение металлов (Al, V, Ni и Си) и стали Х18Н10Т стремится к насыщению при увеличении ионного флюенса! При этом, по данным ПЭМ, плотность дефектов продолжает увеличиваться.. На основании этого можно сделать вывод о том, что явление насыщения связано в первую
очередь с взаимодействием радиационных дефектов, начиная с некоторой величины их объемной концентрации. Показано, что уровень насыщения эффекта радиационного упрочнения для чистых металлов и сплавов зависит от массы бомбардирующих ионов, то есть чем больше масса иона, тем выше уровень упрочнения, что обусловлено различиями в энергетических спектрах первично-выбитых атомов (ПВА). Действительно, анализ спектров ПВА показывает, что по мере увеличения массы бомбардирующего иона возрастает вклад в образование дефектов атомов отдачи с высокими энергиями, более 10 кэв. Это согласуется с существующими представлениями об определяющей роли в радиационном упрочнении металлов радиационных дефектов, созданных ПВА с высокими энергиями.
Для подтверждения этого вывода представлены результаты по радиационному упрочнению чистого циркония, облученного тяжелыми ионами и нейтронами, степень одинакового радиационного упрочнения циркония достигается при дозах нейтронного облучения примерно на порядок меньших, чем ионное облучение, а кроме того, не заметно выхода дозовых зависимостей на насыщение. Нейтронное облучение характеризуется более жестким спектром ПВА, чем для ионного облучения, именно поэтому и наблюдается столь значительное отличие радиационного упрочнения от дозы повреждений.
Обсуждаются результаты по изменению микроструктуры образцов меди, облученных в широком диапазоне флюенсов. Обнаруженные радиационные дефекты представляют собой комплексы вакансионного и междоузельного типа и тетраэдры дефектов упаковки с размерами, в основном, до 5 нм. Значительную долю наблюдаемых дефектов составляют близко расположенные вакансионные скопления, что свидетельствует о расщеплении высокоэнергетических каскадов смещений на субкаскадные области. На основе полученных экспериментальных данных по концентрациям и размерам кластеров радиационных дефектов в рамках барьерной модели упрочнения проведено сравнение расчетных и экспериментально измеренных значений микро-
твердости!. В области доз повреждений, соответствующих насыщению упрочнения, была изучена зависимость радиационного упрочнения меди от температуры облучения. Установлено, что до 200 С величина упрочнения практически не изменяется, а при дальнейшем увеличении температуры облучения происходит снижение степени упрочнения, связанное с возрастанием подвижности и отжигом вакансий, достигая при температуре 400 С, когда основную роль в упрочнении начинают играть поры, 25%-ного превышения исходного значения.
Обсуждены результаты РА по изменению постоянных решетки образцов меди и хромо-никелевой стали в зависимости от флюенса ионного облучения и исходного состояния образцов (отожженные и холоднодеформированные), характер поведения которых согласуется с зависимостями радиационного упрочнения от флюенса.
Приведены данные по радиационно-отжиговому упрочнению (РОУ) чистого ванадия и ванадиевых сплавов, облученных тяжелыми ионами и нейтронами. Показано, что эффекты РОУ сплавов, облученных тяжелыми ионами, качественно похожи и согласуются с РОУ после облучения нейтронами, что подтверждает возможность моделирования эффектов РОУ от нейтронов с применением тяжелых ионов. Обсуждаются эффекты РОУ ванадия, облученного нейтронами. Показано, что прочностные характеристики облученного ванадия сложным образом изменяются от температуры после-радиационного отжига, но при этом сохраняются различия в прочности, обусловленные исходной структурой. Явление РОУ сопровождается снижением пластичности. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с известными результатами, на основании которых развита феноменологическая модель, позволяющая единым образом описать совокупность экспериментов по зависимости РОУ ванадия от флюенса, температуры облучения и концентрации химически активных легирующих примесей. Обсуждаются вопросы, связанные с радиационным распуханием меди, облученной тяжелыми ионами ксенона и меди. Изучены температурные и дозовые зависимости концентраций и размеров пор в облученной меди, на основе которых обна-
ружен аномальный сдвиг максимума распухания при облучении ионами ксенона по сравнению с облучением ионами меди, обусловленный стабилизацией пор ионами ксенона, что и приводит к такому эффекту.
Для изучения возможностей применения метода измерения микротвердости для оценки изменения механических свойств металлов, облученных в условиях распухания, приведены данные по изменению радиационного упрочнения меди, облученной при температуре 500 С в диапазоне доз повреждений от 0.4 до 3 сна. Из данных по микроструктуре мели, облученной в таких условиях, обнаружено, что наряду с порами наблюдаются мелкие вакансионные скопления с размерами до 10 им, основную часть которых составляют дефекты упаковки. Проведено сравнение расчетных зависимостей радиационного упрочнения меди, облученной в условиях распухания, с экспериментально измеренными, на основании которых получено значение параметра, характеризующего эффективность взаимодействия дислокаций с кластерами радиационных дефектов.
Обсуждаются результаты по изучению поверхности нержавеющей стали Х18Н10Т, облученной в температурном интервале от 400 до 650 С и диапазоне флюенсов от 10 до 2'10 ион/см ионов Хе с энергией 124 МэВ . На поверхности обнаружены конусообразные структуры, которые по мере увеличения флюенса облучения трансформируются: уменьшается их поверхностная плотность, происходит их рост, и они приобретают вид структур с четко выраженной кристаллографической огранкой. Элементный состав этих структур существенно отличается от состава исходной нержавеющей стали: более, чем в два раза уменьшаются концентрации хрома и никеля, падает концентрация титана и возрастает концентрация железа. Предложена феноменологическая модель, объясняющая обнаруженный эффект образования игольчатых структур с элементным составом, отличающимся от исходного состава нержавеющей стали. Обсуждены существующие механизмы образования конических структур и модель иеупругого распыления поверхности.
В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с воздействием тяжелых ионов на полупроводниковые монокристаллы. Для проверки адекватности соответствия вычисленных проективных пробегов ионов с применением компьютерных программ E-DEP-1, TRIM-90 и таблиц Нортклифа и Шиллинга их реальным значениям в монокристаллах, что особенно важно для создания слоевых структур, проведено сравнение измеренных различными методами проективных пробегов ряда легких и тяжелых ионов в монокристаллах полупроводников и диэлектриков с расчетными значениями, полученными в рамках различных подходов в вычислении удельных ионизационных потерь энергии. Следует заметить, что в области энергий ионов, когда электронные потери энергии пропорциональны скорости, что следует из моделей Фирсова и Линдхарда, лучшее соответствие экспериментальных значений с расчетными имеет место для значений, полученных по программе E-DEP-1 по сравнению с TRIM-90. Показано, что отдельные комбинации ион-мишень имеют значительные отличия (до 407.) между измеренными и рассчитанными значениями проективных пробегов. При этом лучшее согласие наблюдается для мишеней с большими атомными номерами, в нашем случае для Ge и GaAs. Это объясняется тем, что квазиклассический подход, на основе которого разработаны модели Фирсова и Линдхарда, оправдан для больших значений параметра Z = Z + Z .
Приведены результаты по изменению слоевого электросопротивления и сопротивления растекания, в том числе и при послерадиационном отжиге в кремнии, облученном различными тяжелыми ионами, на основе которых сделаны оценки ширины иошю-легированного слоя и его термостабильности. Показано, что ионной имплантацией примесей бора удается создать проводящие слои на больших глубинах в монокристалле кремния, которые остаются термостабилышми при послерадиационных процессах рекристаллизации деструктированиого слоя. Обсуждаются результаты по изменению постоянных решетки кремния от флюенсов тяжелых ионов по глубине ион-но-имплантированного слоя, сделаны оценки концентрации вакансий и проведено
сравнение с расчетными значениями. Показано, что рекристаллизация слоя, дест-руктированного высокоэнергетическим ионным облучением, имеет те же стадии отжига, что и слои кремния, имплантированные ионами низких энергий. Представлены данные по изменению постоянной решетки кремния, облученного ионами с различными массами. Обсуждаются результаты, полученные методом ПЭМ, по микроструктуре слоев кремния, имплантированных ионами бора и кислорода после отжига при различных температурах. Показано, что при повышении температуры отжига происходит ступенчатая эволюция дефектной структуры: образование кластеров, затем стержнеобразных дефектов с последующей трансформацией их в дислокационные петли Франка с дефектами упаковки, на последней стадии происходит превращение петель Франка в полные дислокационные петли. Дефектные структуры после отжига образцов кремния, облученных ионами бора и кислорода, сильно отличаются: для ионов бора обнаружено преимущественное формирование стержнеобразных дефектов в трех разделенных по глубине слоях, в то время как для ионов кислорода в четырех разделенных слоях - преимущественно дислокационные петли междоузелыюго типа. Наряду с качественными преобразованиями дефектов структуры при изменении температуры отжига от 800 до 1050 С происходит уменьшение их концентрации, а также сужение слоя дефектов более, чем в два раза. Из данных по измерению глубины залегания слоя дефектов,определенной как расстояние от поверхности образца до середины слоя дефектов, сделан вывод о сдвиге дефектного слоя в направлении поверхности при увеличении температуры отжига. Максимальный сдвиг слоя дефектов к поверхности происходит при температуре выше юоо с, что хорошо коррелирует как с изменением типа дефектов, так и с литературными данными по трансформации дефектов структуры в случае имплантации ионов с низкими и средними энергиями имплантации. В зоне максимального дефектообразования кластеры дефектов сильно декорированы выделениями кислорода как для случая имплантации ионов бора, так и для имплантации кислорода. Преципитация кислорода в глубоком де-
фектном слое свидетельствует о его геттерирующих свойствах.
129 Обсуждены результаты по влиянию облучения монокристаллов SiC ионами Хе
с энергией 1 МэВ/а.е.м. Показано, что существует критический флюенс ионов ксенона, начиная с которого облученный монокристалл в процессе отжига становится неустойчивым, что приводит к кластеризации первичных вакансий в диапазоне температур Т = 100 - 1000С.
В четвертой главе обсуждены результаты по изучению радиационной стабильности полупроводниковых приборов при воздействии тяжелых ионов и других видов излучений. Представлены критерии моделирования воздействия частиц космического спектра излучения на ускорителях тяжелых ионов, проводится обсуждение результатов экспериментов по накоплению сбоев во времени и энергетической зависимости чувствительности ячеек памяти микросхем оперативных запоминающих систем, облученных тяжелыми ионами с энергиями Е > 1 МэВ/а.е.м. Показана принципиальная возможность использования матриц запоминающих элементов для контроля и измерения интенсивности пучков тяжелых заряженных частиц с Z > 2 в диапазоне энергий частиц, превышающих 10 МэВ. Контроль потоков тяжелых ионов представляет собой радиометрическую задачу, которую можно решить нетрадиционными методами. В микросхемах элементарная ячейка чувствительна к частицам, способным вызвать сильную ионизацию, и представляет собой детектор с памятью о пересечении чувствительного объема частицей, передавшей ей энергию, достаточную для изменения состояния ячейки. Обсуждены возможности создания детектирующих систем на основе необходимого количества микросхем оперативных запоминающих устройств, которые обеспечат контроль плотности потока частиц на значительно большей площади, равной суммарной площади чувствительных элементов микросхем. Причем такие системы могут надежно работать в условиях потоков тяжелых ионов с интен-
7 2 сивностью порядка 10 ион/(см 'с), когда использование обычных ионизационных
методов вызывает значительные трудности. В этой же главе изложены основные
представления по имитации радиационных эффектов в полупроводниковых приборах, вызванных облучением быстрыми нейтронами, на ускорителях тяжелых ионах с энергиями более 1 МэВ/а.е.м. Проведено обсуждение экспериментальных результатов по деградации параметров планарных транзисторов и сдвиговых регистров при их облучении тяжелыми ионами и нейтронами, на основе которых определены коэффициенты эффективности и предельно допустимой дозы для различных частиц. Показано, что экспериментальное определение механизмов необратимых изменений в полупроводниковых приборах целесообразно проводить только в условиях динамических исследований, то.есть когда радиационные эффекты наблюдаются непосредственно во время облучения полупроводникового прибора.
В пятой главе приведены результаты экспериментов по исследованию воздействия тяжелых ионов на диэлектрические материалы.
При изучении методом эффекта "теней" аморфизации ряда полупроводниковых монокристаллов и алмаза при облучении тяжелыми ионами с различными зарядами ядер и энергиями был обнаружен эффект сохранения дальнего порядка решетки в полупроводниковых кристаллах при достаточно высоких флюенсах облучения для ионов, обладающих ионизационными потерями энергии, превышающих некоторое критическое значение. В частности, было показано, что монокристалл алмаза после
облучения ионами Аг до флюенса 8'10 ион/см был практически полностью
129 аморфизован, в то время как для ионов Хе - сохранял дальний порядок до флю-
15 2 енса 5'10 ион/см . При изучении структуры поверхности облученных тяжелыми
ионами тех же образцов алмаза метолом сэм было обнаружено, что поверхность алмаза, облученного ионами ксенона, имела наряду с гладкими участками, по внешнему виду такими же, как поверхность перед облучением, и участки, покрытые
40 выступами., в то время как после облучения ионами Аг поверхность приобрела
129 рыхлый вид без характерных выступов, как в случае ионов Хе. Микрорентгеновский анализ состава выступов на поверхности показал, что эти выступы состо-
ят из атомов углерода. Поэтому было сделано предположение о том, что при облу-
129 чении ионами Хе происходит эмиссия атомов матрицы алмаза в месте прохождения тяжелого иона, которые затем осаждаются на поверхность. Для выяснения достоверности такого объяснения структура поверхности синтетического алмаза, ле-
84 тированного бором и облученного ионами Кг с энергией 210 МэВ при флюенсе
12 2 10 ион/см , была изучена методом СТМ. Из полученных результатов видно, что
поверхность перед облучением была достаточно гладкой, а неоднородности связаны с "терассами" роста, в то время как после облучения поверхность приобрела разрыхленный вид, кроме того, облученная поверхность имеет более низкую проводимость по сравнению с исходной поверхностью, что было показано путем многократных изменений условий туннелирования. Из анализа профиля, отражающего рельеф поверхности, можно сделать вывод, что неоднородности поверхности, вызванные облучением, связаны с отдельными образованиями типа кратеров. Поверхностная
плотность кратеров, покрывающих поверхность, в пределах ошибок измерений сов-
84 падает с флюенсом ионов Кг. Из этого экспериментального факта можно сделать
вывод, что кратеры на поверхности обусловлены прохождением ионов через поверхность образца синтетического алмаза. Измеренное значение диаметров кратеров составляет 3 нм, увеличиваясь в отдельных случаях до 20 нм. Из распределения диаметров кратеров по размерам и теоретических оценок можно заключить, что кратеры с диаметром 3 нм вызваны прохождением одного иона, в то время как более крупные кратеры связаны с перекрытием кратеров от близко прошедших ионов. Обнаруженные различия в структуре поверхности алмаза после облучения ионами Аг (25 МэВ) и Хе (124 МэВ) могут быть объяснены испарением атомов алмаза за счет высоких удельных неупругих потерь энергии и их последующим осаждением на неоднородностях поверхности. Оценки температуры в области "трека" тяжелого иона показывают, что для ионов Хе и Кг она больше температуры испарения алмаза, кроме того, вносимые этими ионами плотности мощности превосходят зна-
чения критической мощности испарения. На основании этих оценок введены критерии, при которых такие процессы могут иметь место. Предложена модель структуры "трека" тяжелого иона с ионизационными потерями энергии, превышающими критическое значение, обсуждаются другие подходы для объяснения обнаруженных явлений.
Показано, что облучение монокристаллов алмаза при высоких температурах ионами ксенона приводит к их перераспределению от ионно-легированного слоя вплоть до поверхности, что свидетельствует о радиационно-стимулированной диффузии атомов ксенона в сверхплотной решетке алмаза. Представлены и обсуждены результаты по диффузии тяжелой примеси серебра и легкой примеси - атомов гелия, имплантированных в поверхность, или нанесенных на нее электролитическим осаждением - покрытие из никеля, по деструктировашюй ионами области ("трекам" тяжелых ионов) при высокотемпературном отжиге. Сделан вывод, что ионы от поверхности перераспределяются вглубь образца до величин проективного пробега ионов ксенона и никеля с энергиями 1 МэВ/а.е.м. Кроме того, технологические примеси (азот), присутствующие в образцах алмаза, из зоны с максимальным разу-порядочением перемещаются к поверхности за счет упругих напряжений в зоне остановки ионов. Обнаруженный эффект радиационно-стимулированной диффузии технологических примесей по "трекам" тяжелых ионов в процессах отжига ниже температур рекристаллизации позволяет использовать этот эффект для ионного легирования полупроводниковых и диэлектрических материалов, а также для "радиационной очистки" от вредных примесей.
Для определения роли упругих и неупругих потерь энергии в формировании дефектной структуры ЩГК кристаллов, были изучены спектры поглощения и механические свойства монокристаллов LiF, облученных ионами с различными массами. Показано, что ионное облучение, так же как и другие виды излучений, вызывает появление в спектрах поглощения полос, связанных с образованием F - и F -центров
окраски, концентрация которых обусловлена ионизационными потерями энергии. Результаты измерения микротвердости позволяют сделать вывод, что изменение механических свойств вызвано радиационными дефектами, которые образовались в процессах упругих столкновений атомов кристалла и бомбардирующих ионов. Как и в случае облучения металлов, большие эффекты радиационного упрочнения имеют место для более тяжелых ионов при одинаковых величинах доз повреждений.
Представлены данные по изменению свойств поли- и монокристаллического оксида алюминия и показано, что поликристаллический оксид алюминия обладает более высокой радиационной стойкостью в сравнении с монокристаллическим, прочностные свойства которого при ионном облучении снижаются более, чем в два раза. Обсуждаются изменения структуры поверхности и деструктированного ионами ксенона слоя в зависимости от температуры облучения.
В главе приведены результаты по изучению изменений электромеханических
свойств монокристаллов окиси цинка после облучения ионами углерода и неона с
энергиями 90 (флюенс 10 ион/см ) и 160 НэВ (флюенс 2,3'10 ион/см ) соответственно. С целью идентификации резонансов, ответственных за продольные колебания по толщине пластин Z-срезов, колебания сдвигов по толщине пластин Х-срезов и колебания по длине брусков Z-срезов до и после облучения, измерялся спектр упругих колебаний образцов. Определены частоты резонанса и антирезонанса, значения диэлектрических проницаемостей при постоянном механическом напряжении и постоянной деформации, коэффициенты электромеханической связи исследованных типов колебаний, упругие модули и пьезоэлектрические постоянные и пьезоэлектрический модуль, рассчитаны добротности соответствующих резонаторов. Обнаружено, что высокоэнергетическая ионная имплантация заметно влияет на вышеперечисленные параметры, причем по ряду из них в сторону значительного улучшения свойств исходных кристаллов, в частности, добротность резонаторов после облучения ионами углерода и неона возросла в 2.5 и 3.5 раза. Наблюдаемые в крис-
таллах окиси цинка эффекты можно объяснить радиационно-стимулированной диффузией примесей, приводящей к более однородному их распределению в области дест-руктированной ионами зоне, а также с возникновением механических напряжений. Можно сделать вывод, что применение тяжелых ионов высоких энергий для модификации свойств пьезоэлектрических монокристаллов представляется перспективным.
В заключении сформулированы основные выводы и положения, которые выносятся на защиту.