CC BY
37
УДК 53.091:53.096
СООТНОШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕМНИЯ К НИЗКОИНТЕНСИВНОМУ БЕТА-ОБЛУЧЕНИЮ
© А. А. Дмитриевский, Н.Ю. Ефремова, А.Р. Ловцов, Д.Г. Гусева
Ключевые слова: кремний; низкоинтенсивное облучение; радиационные дефекты; микротвердость; электрическая проводимость; постоянная Холла.
Исследовано влияние низкоинтенсивного (I ~ 3-106 см-2с-1) бета-облучения на электрическую проводимость р, постоянную Холла ЯН и микротвердость Н монокристаллов кремния. Показано, что микротвердость является более чувствительной характеристикой (по сравнению с р и ЛН) к бета-индуцируемой модификации дефектной подсистемы.
ВВЕДЕНИЕ
Целенаправленное модифицирование физических свойств полупроводниковых материалов с ковалентным и ионо-ковалентным типами химической связи пучками заряженных частиц является одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся в последние годы физико-технологических методов. Для моно-кристаллического кремния, широко используемого в микроэлектронике, первостепенное значение имеет возможность контролируемой модификации электрических свойств. При изучении электрических характеристик полупроводников применяют различные экспериментальные методы, из которых в радиационной физике наибольшее распространение получили методы измерения электрической проводимости и постоянной Холла [1].
Распространенность, налаженность производства высококачественных монокристаллов и уникальное сочетание электрических и механических свойств делает кремний наиболее удобным материалом для изготовления микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС/НЭМС), для которых критически важное значение имеют механические свойства в тонких приповерхностных слоях и сечениях [2].
В связи с этим настоящая работа посвящена исследованию электрических (проводимость и постоянная Холла) и механических (микротвердость) свойств мо-нокристаллического кремния в условиях действия низкоинтенсивного бета-облучения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В экспериментах исследовали монокристалличе-ские образцы кремния (КЭФ-4,5). Для облучения образцов использовали источник на основе препарата 90Бг+90У со средней энергией эмиттируемых электронов 0,20 МэВ для 90Бг и 0,93 МэВ для 90У. Интенсивность потока бета-частиц составляла величину I = = 3-106 см-2с-1. Облучение образцов производили при комнатной температуре на воздухе. Тестирование микротвердости Н по Виккерсу на плоскости (100) осуще-
ствляли на микротвердомере ПМТ-3. Для этого образцы периодически извлекали из камеры, в которой происходило бета-облучение. Время, затраченное на определение микротвердости, в дальнейшем учитывали (вычитали) при построении дозовой зависимости. Нагрузка на индентор составляла 1 Н, а время нагружения - 10 с. Каждая точка на графиках является усреднением 20 отдельных измерений Н.
Рис. 1. Принципиальные схемы измерительной ячейки для тестирования электрической проводимости (а) и постоянной Холла (Ь) монокристаллов кремния
Электрическую проводимость и постоянную Холла измеряли с использованием четырехконтактного метода. Принципиальные схемы измерительных ячеек, с помощью которых производили тестирование р и RH, приведены на рис. 1а и 1b соответственно.
Для получения тонких (толщиной ~ 10 мкм) образцов кремния (с исходными линейными размерами 1x5x15 мм) их запрессовывали в полимерную матрицу. Затем с использованием системы подготовки проб BETA-VECTOR, SIMPLIMET 1000, ISOMET 4000 (фирма Buehler, USA) производили шлифовку (до заданной толщины) и полировку образца. После этого на образец наносили омические контакты с использованием алюминий-галлиевой пасты.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Экспозиция образцов (производимая на воздухе при нормальных условиях) в поле бета-частиц с интенсивностью I = 3-106 см-2с-1 сопровождается немонотонным во времени (^-образным) изменением микротвердости (рис. 2, кривая 1). Кинетические параметры (длительности облучения tirr, при которых наблюдаются характерные изменения H) совпадают с данными [3].
При тестировании электрических характеристик необходимо учитывать, что при бета-облучении со средней энергией частиц E ~ 0,5 МэВ дефекты генерируются в приповерхностном слое толщиной менее 500 мкм. В связи с этим можно предположить, что в условиях подобного облучения наиболее модифицированным оказывается слой толщиной в единицы-десятки микрометров. В связи с этим при тестировании электрических характеристик кремния, подверженного действию низкоинтенсивного бета-облучения, принципиально важным условием может оказаться соотношение толщин модифицируемого слоя и самого образца.
Характерные зависимости относительной электрической проводимости (pt - ро)/ро от времени бета-облучения для образцов толщиной dy = 1 мм и d2 = 10 мкм приведены на рис. 2, кривые 2 и 3 соответственно. Видно, что разброс точек на зависимости относительной электрической проводимости образцов толщиной d1 = 1 мм от времени низкоинтенсивного бета-облучения не позволяет выявить каких-либо характерных
Рис. 2. Зависимости относительных изменений микротвердости (1) и электрической проводимости (при толщине образца й1 = 1 мм - (2) и й2 = 10 мкм - (3) от времени облучения бета-частицами с интенсивностью I = 3-106 см-2с-1
Рис. 3. Зависимости относительных изменений микротвердости (1) и коэффициента Холла (2) от времени облучения бета-частицами с интенсивностью I = 3-106 см-2с-1
особенностей. То есть можно констатировать полное отсутствие влияния облучения на проводимость «толстых» образцов кремния.
Уменьшение толщины облучаемого образца до значений ^2 = 10 мкм приводит к уменьшению разброса экспериментальных данных и позволяет выявить незначительные отклонения значений (р-ро)/ро от нулевой величины (рис. 2). Необходимо обратить внимание на синфазность изменений микротвердости и электрической проводимости. Это свидетельствует о накоплении электрически-активных радиационных дефектов в тонком приповерхностном слое, исследованных ранее в [4-5]. Увеличение толщины образца приводит к «экранированию» бета-индуцированных изменений в приповерхностном слое.
Соотношение относительных изменений микротвердости и постоянной Холла, индуцируемых в кремнии низкоинтенсивным бета-облучением, представлено на рис. 3.
Как следует из данных, представленных на рис. 2 и 3, относительное изменение микротвердости при интенсивности бета-облучения I = 3Т06 см~2с-1 достигает 9 %, в то время как относительные изменения проводимости и коэффициента Холла не превышают 0,3 и 2 % соответственно. По-видимому, это связано с тем, что микротвердость чувствительна к более широкому классу точечных (вторичных радиационных) дефектов, чем электрические характеристики (проводимость). Таким образом, показано, что величина микротвердости является более чувствительной характеристикой по отношению к бета-индуцированной модификации подсистемы структурных дефектов приповерхностных слоев, чем электрическая проводимость и коэффициента Холла.
ЛИТЕРАТУРА
Вавилов В. С., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л. С. Действие излучений на полупроводники. М.: Наука, 1998. С. 192.
Springer Handbook of Nanotechnology / её. Bharat Bhushan. Springer, 2007. 1917 p.
Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю. // ФТТ. 2006. Т. 48. № 2. С. 262-265.
Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Сучкова Н.Ю., Бадылевич М.В. // ФТТ. 2005. Т. 47. № 7. С. 1237-1240.
5. Бадылевич М.В., Блохин И.В., Головин Ю.И., Дмитриевский А.А., Карцев С.В., Сучкова Н.Ю., Толотаев М.Ю. // ФТП. 2006. Т. 40. № 12. С. 1409-1411.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., проект № П892.
Поступила в редакцию 21 ноября 2012 г.
Dmitriyevskiy A.A., Efremova N.Yu., Lovtsov A.R., Guseva D.G. CORRELATION OF SENSITIVENESS OF SILICON ELECTRIC AND MECHANICAL PROPERTYS TO LOW-FLUX BETA-IRRADIATION
Influence of low-flux (I ~ 3-106 cm-2s-1) beta-irradiation on electric conductivity p, constant Hall RH and microhardness H of silicon single-crystals was investigated. It was shown that the microhardness is more sensible property (as compared to p and RH) to the beta-induced modification of defect subsystem.
Key words: silicon; low-flux irradiation; radiation defects; microhardness; electric conductivity; constant Hall.
