НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ИНДУЦИРУЕМЫЕ В КРЕМНИИ НИЗКОИНТЕНСИВНЫМ β-ОБЛУЧЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, НАНОСТРУКТУР)

УДК 539.12.043 : 539.211

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ИНДУЦИРУЕМЫЕ В КРЕМНИИ НИЗКОИНТЕНСИВНЫМ р-ОБЛУЧЕНИЕМ

© А.А. Дмитриевский, Н.Ю. Ефремова, П.А. Косырев, А.Р. Ловцов, Ю.И. Головин, В.В. Коренков, А.В. Шуклинов, В.М. Васюков, М.У. Badylevich

Ключевые слова: кремний; низкоинтенсивное р-облучение; радиационные дефекты; микро-и наноиндентирование.

Методом динамического микро- и наноиндентирования обнаружены и исследованы немонотонные изменения твердости монокристаллов кремния, индуцируемые низкоинтенсивным потоком р-частиц. Независимыми методами идентифицированы типы вторичных радиационных дефектов, ответственных за изменение микротвердости кремния на разных стадиях облучения. Показано, что низкоинтенсивное облучение приводит к подавлению эффективности фазовых переходов в кремнии под индентором.

Хорошо известно, что физико-химические свойства материалов во многом зависят от их структуры и внешних воздействий. Уменьшение характерных размеров структуры до нано-масштабных приводит к появлению т. н. «размерных» эффектов. При этом определяющим критерием специфики «нано» является не сам по себе масштабный фактор (оперирование нанораз-мерными величинами), а радикальное отличие свойств наноструктурных объектов от макроскопических. Возможность использования уникальных свойств материалов, приобретаемых ими при уменьшении характерных размеров структуры, привело к бурному развитию нанотехнологий и тенденции к смене технологической парадигмы с «сверху - вниз» на «снизу - вверх».

Проецируя «масштабный» подход на вопрос о модификации макроскопических свойств объектов посредством внешних воздействий, можно выделить область интенсивностей (мощностей, доз и т. д.), где наблюдаются качественно отличные (аномальные) изменения физических, химических и биологических характеристик материалов (рис. 1).

В отличие от областей умеренных и мощных воздействий, где, как правило, амплитуда отклика материала пропорциональна интенсивности возбуждающего фактора, для низкоинтенсивных (малодозовых) воздействий характерны аномальные изменения физических, химических и биологических [1-3] характеристик. Это и т. н. «окна чувствительности», и инверсия знака эффекта, и «привыкание» к низкоинтенсивному фактору с исчезновением эффекта, и др. (рис. 1). Эффекты, индуцируемые низкоинтенсивными или малодозовыми воздействиями, представляют большой интерес как с принципиальной, так и практической точки зрения. Они могут привести к существенному изменению характеристик функциональных материалов, входящих в состав полупроводниковых приборов, магнитных носителей информации, многослойных покрытий, фотоприемников, прецизионных механических устройств и датчиков, что необходимо учитывать при их создании и эксплуатации.

1771

Одним из необходимых условий проявления малодозовых эффектов является наличие у объекта, подверженного низкоинтенсивному воздействию (вне зависимости от типа объекта и природы возбуждающего фактора), исходной неравновесности. Состояние подсистемы структурных дефектов реальных кристаллов, как правило, является метастабильным. Роль низкоинтенсивных воздействий сводится к выводу такой системы из квазиравновесного состояния, например, посредством снятия запрета на протекание спинзависимых реакций в подсистеме структурных дефектов (магнитные поля), либо генерации незначительного количества (по сравнению с уже имеющимися) точечных (радиационных) дефектов. Таким образом, низкоинтенсивные воздействия играют роль «спусковых крючков» для развития событий в термодинамически неравновесных, метастабильных системах. С этой точки зрения основная проблема заключается в поиске «спусковых крючков» (выбор типа и параметров низкоинтенсивных воздействий), индуцирующих релаксационные процессы, сопровождающиеся значительными изменениями свойств объекта. Такого рода процессы могут успешно использоваться в технологиях искусственного ускоренного старения и стабилизации или модификации (при необходимости кратковременной) свойств функциональных материалов для прецизионной техники.

Принципиально важным при расшифровке природы малодозовых эффектов является ответ на вопрос - каким образом первичный акт на уровне отдельных электронов или атомов трансформируется в макроскопический отклик, передаваясь через несколько иерархических уровней в структуре материала. Очевидно, что заметный макроскопический эффект будет наблюдаться лишь в случае большого внутреннего усиления результатов немногочисленных первичных событий, которое возможно также лишь в системе, далекой от термодинамического равновесия.

Необходимо отметить, что подавляющее большинство исследований, связанных с влиянием облучения на физические свойства материалов, было выполнено с использованием мощных потоков заряженных частиц или у-квантов. Эффектам, индуцируемым в кристаллах низкоинтенсивными потоками радиации, уделялось гораздо меньшее внимание. Отсутствие информации о динамических особенностях накопления радиационных дефектов в условиях низкоинтенсивного облучения затрудняет интерпретацию аномальных изменений физических свойств кристаллов.

Следует также отметить практически полное отсутствие литературных данных о комбинированном влиянии низкоинтенсивного ионизирующего облучения и слабых электромагнитных полей. Между тем эффективность протекания квазихимических реакций в подсистеме парамагнитных радиационных дефектов может контролироваться магнитными полями. Наличие электрических полей может оказывать влияние уже на начальной стадии радиационного де-фектообразования - процесс разделения компонент пар Френкеля [4].

Рис. 1. Характерные зависимости физико-химических и биологических характеристик материалов от размера структуры и интенсивности действия внешних факторов

1772

В связи с этим в работе проведено детальное исследование влияния низкоинтенсивного I = = 105 ^ 3*106 см-2с-1 облучения р-частицами со средней энергией E ~ 0,5 МэВ в интервале флюенсов от 0 до 1012 см-2 на микро и нанотвердость монокристаллов кремния. Установлено, что облучение с флюенсом F = 3,6*1010 см2 приводит к семикратному увеличению скорости установившейся ползучести кремния. Показана доминирующая роль точечных (собственных и радиационных) дефектов в процессе р-индуцированного немонотонного (W-образного) изменения микротвердости.

Независимыми методами (изохронный отжиг и нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней) идентифицированы типы вторичных радиационных дефектов, ответственных за изменение микротвердости кремния на разных стадиях облучения.

В результате проведенных in situ исследований промежуточных стадий формирования вторичных радиационных дефектов в процессе облучения кремния р-частицами подобраны условия, в которых наблюдаются качественно различные отклики материала на радиационное воздействие. Установлены критические значения длительности облучения (tirr = 1,25 час) и флюенса (F = 0,3-1010 см2) при плотности потока частиц I = 106 см~2с-1, в окрестности которых меняется знак эффекта.

Независимыми методами показана неравномерность распределения по глубине радиационных дефектов, ответственных за изменения числа твердости кремния (наибольшая концентрация наблюдается в приповерхностных слоях толщиной ~ 3 мкм), генерируемых в условиях низкоинтенсивного облучения. Это объясняет отсутствие чувствительности «объемных» характеристик (в т. ч. электрической проводимости) к действию низкоинтенсивного облучения.

Обнаружено, что на стадии облучения, соответствующей первому максимуму разупрочнения, наблюдается подавление эффективности фазовых превращений в кремнии под инденто-ром.

Обнаружено и исследовано влияние внешних факторов нерадиационной природы (электрические и магнитные поля, а также температурный режим) на динамику изменений микротвердости кремния, индуцированных низкоинтенсивным р-облучением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Golan G., Rabinovich E., Inberg A., Axelevitch A., Oksman M., Rosenwaks Y., Kozlovsky A., Rancoita P.G., Rattaggi M., Seidman A., Croitoru N. // Microelectronics Reliability. 1998. V. 39. P. 1497.

2. Бурлакова Е.Б., Кондратов А.А., Мальцева Е.Л. // Химическая физика. 2003. Т. 22. № 2. С. 21.

3. Головин Ю.И., Дмитриевский А.А. // Журнал функциональных материалов. 2007. Т. 1. № 1. С. 11.

4. Милевский Л.С., Гарнык В.С. // ФТП. 1979. T. 13. № 7. C. 1369.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 09-02-97541.

Поступила в редакцию 8 сентября 2010 г.

Dmitriyevskiy A.A., Efremova N.Yu., Kosyrev P.A., Lovtsov A.R., Golovin Yu.I., Korenkov V.V., Shukli-nov A.V., Vasyukov V.M., Badylevich M.V. Nonlinear effects induced in silicon by the low-flux of beta irradiation

By means of the dynamic micro- and nanoindentation method the nonmonotonic changes of silicon single crystals hardness induced by low-flux of beta-particles were investigated. The types of the secondary radiating defects responsible for change of silicon microhardness at different stages of irradiation were identified by independent methods. It was shown that low-flux irradiation leads to suppression of efficiency of the phase transitions in silicon under indenter.

Key words: silicon; low-flux beta irradiation; radiation defects; micro- and nanoindentation.

1773