Формирование дейтеросодержащих дефектных структур при взаимодействии низкоэнергетических ионов дейтерия с кремнием тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

На правах рукописи

ЛОМИДЗЕ Михаил Асланович

УДК 539.11043:537.533.35

ФОРМИРОВАНИЕ ДЕЙТЕРОСОДЕРЖАЩИХ ДЕФЕКТНЫХ СТРУКТУР ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИОНОВ ДЕЙТЕРИЯ С КРЕМНИЕМ

Специальность 02.00.04 - Физическая химия /

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1990

Работа выполнена в Институте физической химии АН СССР

Научный 'руководитель кандидат физико-математических наук ГОРОДЕЦКИЙ А.Е.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Мордкович В.1 кандидат физщсо-математическЕ наук Роясанский Н.В.

Ведущая организация: Институт Атомной Энергии им.И.В.Курчатова

Защита диссертации состоится 11 6 " декабря 1990 года в }& часов на заседании Специализированного совета К 002.95.01 при Институте физической химии АН СССР / 117915, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 31.

Автореферат разослан 1990 года.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения общей и технической химии АН СССР (Москва, Ленинский пр., 31).

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук

'¿¿сШ+Ь Н.П.Платонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш. В течение последних десяти лет заметно усилился интерес к изучению свойств водорода в кремнии обусловленный способностью этого элемента влиять на электрофизические параметры полупроводниковых приборов в широких пределах. Благодаря накопленным знаниям удалось получить новый тип материала - гидрогенизированный аморфный кремний и новые классы приборов на его основе - фотоприемники и преобразователи световой энергии.

Для производства таких цриборов необходимы детальные представления о механизме гидрогенизации кремния и структурных изменениях в матрице. Ионная имплантация водорода в кремниевую мишень создает больше возможности дая изучения поведения водорода, так как позволяет в широком интервале изменять его концентрацию.

Б связи с возникновением исследовательских установок термоядерного синтеза,-работакщих на дейтерии возникла задача определения параметров (потоков и энергий частиц)' ионной и нейтральной компонент пристеночной плазмы. Один из методов определения этих параметров основан на анализе следов взаимодействия частиц плазмы с поверхностными слоями мишени (зонда). Он оказался весьма перспективным при использовании подложек монокрис-галлического кремния в виду структурного совершенства материа-ча и стандартно высокой степени обработки поверхности..

Однако, надежная интерпретация полученных с псмощью зон-зрв данных оказалась затруднительной без подробного изучения гроцессов, обусловленных одновременным введением частиц дейте-зия и радиационных дефектов в кремний.

Целью работы являлось систематизация физико-химических особенностей поведения внедренного дейтерия в тонких приповерхностных слоях кристаллического кремния, анализ структурных изменений этих слоев и использование установленных закономерностей для определения энергетических параметров ионных пучков изотопов водорода в плазменных установках.

В связи с этим в работе ставились следующие задачи:

- провести систематическое изучение кинетики накопления и пространственного распределения дейтерия в кристаллическом кремнии в широком интервале энергий и доз облучения (Ей= 1+5 кэВ, ф=1015 -г 5-Ю18 см"2)';

- выяснить в каком виде- накапливаются внедренные частицы в матрице (в виде химически не связанных с решеткой атомов и молекул или в составе сложных комплексов), установить закономерности формирования реэмиссионного потока;

- провести изучение структурных превращений в приповерхностных слоях кристаллического кремния и выяснить особенности до-зовой эволюции зоны торможения внедряемых ионов дейтерия, а также термическую стабильность образующихся при облучении комплексов;

- используя установленные закономерности накопления дейтерия и дефектов в матрице, облученной моноэнергегическими пучками ионов (Е = 40+500 зВ), разработать методику, позволяющую оценить энергии и потоки частиц в рабочих импульсах токамака.

Научная новизна.

I. С использованием метода дифракции быстрых электронов на отражение разработан количественный способ определения числа смещений в монокристаллической подложке, возникающих при облучении низкоэнергетичесюши ионными пучками.

2. С помощью методов ма с с-спектроме трии вторичных ионов и газовых молекулой послойного анализа разработан способ определения концентрации дейтеросодержащих дефектов ( 81 ° л о2 _ комплексов).

3. Проведено систематическое изучение кинетики накопления 81 о и о2 -комплексов в кремнш для широкого интервала доз и энергий облучения.

4. Исследована термическая стабильность дефектов, связывающих дейтерий, и особенности их пространственного распределения при различных дозах облучения.

5. Изучены особенности структурных превращений матрицы монокристаллического кремния, обусловленные одновременным введением частиц дейтерия и радиационных дефектов.

Практическая ценность.

С помощью методики, основанной на анализе следов взаимодействия (накопленных смещений и захваченного дейтерия) плазмы с поверхностными слоями кремниевого монокристаллического зонда, и полученных результатов измерены величины потоков различных составляющих пристеночной плазмы как ионов, так и нейтралов, а также средняя величина энергии этих частиц в действующих тока-чаках ТМ-4 и Т-10.

На защиту выносятся следукщие основные результаты работы:

1. Систематическое изучение кинетики накопления дейтерия

з виде Б: б и 31С2 -комплексов в кремнии в широком интерзале доз и энергии облучения.

2. Закономерности пространственного распределения дефектов, связывающих дейтерий, в зоне торможения.

3. Модель радиационно-индуцированного последовательного об-зазования и 81б2 -комплексов и реэмиссии о2 -моле-

кул.

. 4. Особенности структурных превращений в монокристаллической кремниевой матрще, индуцированные одновременным введением частиц дейтерия и радиационных дефектов.

Апдобаиия работы. Результаты работы докладывались на конференциях молодых ученых ИФХДН СССР (Москва, 1987-1989), УШ Международной конференции "Взаимодействие плазмы с поверхностью" (Ших, ФРГ, 1988), 1У Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва, 1989), IX Международная конференций "Взаимодействие плазмы с поверхностью" (Бур-немаут, Англия, 1990).

Публикации. По материалам диссертации напечатано шесть работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации 123 страницы, в том числе 4 таблицы, 43 рисунка; список литературы включает 94 наименования.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование выбора темы работы, сформулированы ее цели и задачи. Дано краткое содержание всех глав и перечислены основные результаты и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор основных представлений, которые легли в основу постановки и решения задач диссертационной работы. Эти представления касаются процесса дефектообразования в кремнии при облучении мишени ионными пучками водорода (дейтерия), параллельно протекающего захва-

та и накопления частиц и реэмиссии молекул. В обзоре проанализированы сведения о энергии активации процессов дегидрогенизации, некоторые модельные представления об этом явлении, а такие особенности диффузии водорода в кремнии.

Во второй главе обоснован выбор материала* условий облучения, способ® исследования. Особое внимание уделяется описанию новых методик, разработанных в ходе проведения экспериментов.

Применение дейтерия (вместо водорода) для решения поставленных задач повышало чувствительность и надежность регистрации и позволяло выполнять измерения даже после контакта образцов с атмосферой в процессе выполнения работы. Эксперименты проводились на монокристаллическом кремнии марки 5КЭФ(Ш) имеющем стандартно высокую степень структурного совершенства и химической чистоты. Выбор такого материала позволял эффективно использовать методы структурного анализа и уверенно следить за возникающими в процессе накопления дейтерия дефектами. Дня сравнения параметров реальных и рассчитанных распределений дейтерия в аморфном кремнии часть образцов облучалась ионами 30 кэВ Аг" до дозы Ю16 см-2.

Обычно в экспериментах с водородной плазмой энергии внедряемых в подложку частиц лежат в интервале от 10 эВ до нескольких кэВ," а температура материала стенки не превышает 500 К. Использование моноэнергегических пучков в том же интервале энергий позволило упростить картину физических явлений. Внедрение дейтерия осуществлялось в'высоком вакууме с помощью моноэнергетических масс - сепарированных пучков. Температура мишени была близка' к комнатной, пучок ионов падал нормально к поверхности мишени, плотность тока составляла 30 мкА/см2, а облучаемая площадь - 0,1-1 см2.

При выборе методов исследования подложек, экспонированных в плазме токамака, большое значение имеют простота и экспрес-сность измерения. В связи с этим для анализа процессов накопления дефектов и дейтерия было решено использовать методы ДБЭО (дифракция быстрых электронов на отражение) и ТДС (термодесорб*-ционная спектроскопия). Дня более подробного анализа дефектооб-разования и кинетики накопления дейтерия в радиационных дефектах были выбраны методы ПЭМ (просвечивающая электронная микроскопия) высокого разрешения и МСВИ (масс-спекгромегрия вторичных ионов) в сочетании с МС1М (масс-спектрометрия газовых молекул).

Для исследования процессов накопления дефектов в приповерхностных слоях метод ДБЭО ранее не применялся. Поэтому была разработана специальная методика анализа нарушений, которая была проверена на модельной системе аморфный углерод-кремний. Суть методики заключается в сравнении интенсивности двух дифракционных сигналов брэгговского рефлекса или кикучи-полосы от монокристаллического образца и от образца с дефектным слоем при строго определенных и одинаковых- условиях даффракцш. В этом случае можно установить эквивалент рассеивающей способности дефектов в матрице - аморфный слой с определенной массовой толщиной, а затем найти количество атомов (дефектов) в этом слое. Используя высококонтрастные дифракционные отражения от подложки, с помощью предложенной методики монно определить количество накопленных дефектов в интервале значений (0,5-!-1),101®-(5+7)• •1016 см"2.

В ТДС экспериментах образцы нагревались электронным пучком (энергия 1,5 кэВ, ток Ю мА.) с постоянной скоростью 40 К/с с тыльной стороны в высоком вакууме. Парциальное давление, созда-

ваемое выделяющимися из образца молекулами газа измерялось масс-спектрометром. Самописцем регистрировался сигнал (мм), пропорциональный этому давлению (рис.1). Дальнейший анализ показал, что интеграл по времени нагрева от измеряемого сигнала (площадь (мм«с)) оказался пропорционален количеству дейтерия, • выделявшегося из образца, а величина сигнал (мм) - скорости изменения содержания дейтерия. Калибровка измеряемых величин осуществлялась с помощью источника с известным числом э -молекул, который соединялся с камерой после каждого эксперимента. Отметим, что после проведения ТЖЗ экспериментов по данным послойного анализа в образцах дейтерий отсутствовал. Этот факт указывает на правомерность использования термодесорбцион-ного отжига для определения содержания дейтерия.

Концентрация дейтерил в образцах определялась по величинам: сигнал ( о")(мм) (МСВИ) и сигнал ( и+)(ш) (МСГМ), регистрируемых с помощью самописца. Распыление кремния осуществлялось ионами аргона (энергия 1*4 кэВ, плотность тока 1*50 мкА/ /см^). Основанием дня такого выбора регистрируемых масс послужили высокое отношение сигнал-фон, подобие изменения сигналов при распылении матрицы расчетному распределению цробегов (кривая I, рис.2а,б). Кроме того, в области малых доз, величина площадь ( б")(мм.с), так же как и общее содержание дейтерия в образце, линейно зависела от ф.

Калибровка величин сигналов осуществлялась по количеству дейтерия, выделяющегося в термодесорбционных пиках (вставки, рис.1). Основанием для такого способа обработки послужили сим-батность изменения величины площадь ( в-) (площадь ( г^)) и количества дейтерия, выделяющегося в высокотемпературном пике, д (низкотемпературном пике, ч ) спектра термодесорб-

чения ионами с энергией = I кэВ Зависимость количества дейтерия, д (вставка I) и количества дейтерия, ц2 от дозы ф (вставка 2)

Рис.2. Профили в! и и б2 -комплексов в амортизированном (а,б) и кристаллическом (в,г) кремнии, облученном ионами с энергией 3)= I кэБ и дозой ф(см~2): 1а, 1в -Ю15; 2в — 1,5.1016; 1<5,2а,2в,1г - 2.Ю16; 2г - 5-Ю16; 26 - ТО17; За.Зв.Зг - 1017; 36 - 5.1017; 4а - 5'Ю17; 4в,4г - 1018.

ции при увеличении дозы облучения. Эти количественные измерения подтверждались фактами уменьшения величины сигнал ( ор до уровня фона после проведения низкотемпературного отжига, Т=600 К; слабой деформации величины площадь ( о" ) после проведения низкотемпературного отжига и практически полное исчезновение этой- величины после проведения высокотемпературного отжига, Т=900 К. Следовательно, величина сигнал (о" ) отражает накопление некоторой части внедренного в образец дейтерия в ловушках 41 , а величина сигнал ( отражает накопление другой части - в ловушках ч2 •

Масштаб по глубине определялся сопоставлением ширины зоны торможения на поперечном шлифе из облученных препаратов с полушириной профиля ловушек .

В третьей главе исследовались процессы образования и накопления дефектов, содержащих один и два атома дейтерия ( в и °2 -комплексы), и анализировались закономерности процессов накопления дефектов и формирования реэмиссионного потока

тс

при облучении кремния ионами дейтерия (интервал доз ф=10 -5 Ю18 см-2 и энергий % = 1т5 кэВ).

Опыты показали, что в процессе облучения ловушки и ведут себя различным образом. После проведения низкотемпературного отжига концентрация ч2 ловушек ( ч"2 ) уменьшалась до нуля. Концентрация последних частиц, чг , уменьшалась только после проведения высокотемпературного отжига. Накопление и. ч2 ловушек происходило с различной скоростью: при ф«^ фКр (определение фКр см.ниже) весь внедряемый дейтерий размещался в ловушках ; при ф ^ фк^ начинали образовываться

ч2 ловушки (вставка I, рис.1), а число q1 ловушек оставалось постоянным. Для построения модели процесса можно предполо-

жить, что накопление дейтерия обусловлено последовательным формированием в зоне торможения в и п2 -комплексов.

Действительно, при • ф ФКр наличие одного пира на спектрах (по данным ТДС) свидетельствует о том, что в мишени образовалась только одна система комплексов, распад которых под пучком ионов аргона приводил к появлении -частиц (метод МСВИ). Появление второго пика на спектрах ТДС вблизи фКр указывает на возникновение системы комплексов другого типа, которые при распылении формировали сигнал б частиц (метод ШУШ).

Процесс накопления дейтерия в кремнии можно охарактеризовать двумя интервалами доз: (I) линейного увеличения содержания и (2) насыщения по дейтерию (вставка 1, рис.1). Граничная доза, фКр (критическая доза облучения), увеличивалась с ростом энергии внедряемых в подложку ионов.

В интервале (I) образовывались 81 ° -комплексы (количество которых соответствовало числу внедренных частиц). Профили этих комплексов в амортизированном кремнии (кривые 1а,2а, рис. 2) практически совпадали с соответствующей функцией распределения пробегов ионов,

В кристаллическом кремнии профили о -комплексов оказались смещены к облучаемой поверхности и были близки к функции потерь энергии на упрутие соударения. Наиболее существенные различия распределений комплексов от функции кр (*) наблюдались после облучения ионами с энергией = I кэВ и ниже. Эти распределения имели максимум на облучаемой поверхности с увеличением ф их полуширина увеличивалась (кривые 1в,2в, рис.2).

Вблизи граничной дозы фКр происходило достижение насыщения по содержании -комплексов (кривые 3а,3в, рис.2) и об-

разование ^-комплексов (кривые 26,Зг, рис.2). Эти ловушки эффективно формировались в тех сечениях зоны торможения ионов, в-которых концентрация э^б -комплексов была близка к предельному значению. В качественном плане профили б2 комплексов оказались подобными соответствующим профилям 81 п -

комплексов, но имели меньшую полуширину. р

Дяя интевала (2) профили ^ б и б; о2 -комплексов приобретали етоликообразную форму (кривые 4а,3в,3б,4г, рис.2). Область плато формировалась по мере достижения предельной локальной концентрации захваченного дейтерия. С увеличением дозы облучения плато цростиралось либо от центра к периферии (рис.2а, б), либо от поверхности в глубь матрицы (рис.2в,г).

При ф я» фКр после заполнения всех участков, на расстоянии равном дайне пробега ионов, профили уширялись за счет накопления комплексов в дальних участках зоны торможения. В приповерхностной области содержание в2 -комплексов возрастало (кривая 4г,3б, рис.2), а концентрация ю -комплексов принимала минимальное значение. Максимум концентрации й -комплексов наблюдался на расстоянии увеличивающимся с ростом дозы облучения (кривая 4в, рис.2).

Модель накопления З'О и -комплексов и реэмиссии

молекул строится на основе следующих экспериментальных результатов: I - существование, по крайней мере, двух типов ловушек, содержащих один или два атома дейтерия; 2 - различная дозовая зависимость накопления этих ловушек; 3 - наличие участка насыщения при больших дозах облучения; 4 - ре эмиссия в виде о2 -молекул.

Суть модели заключается в тш, что во всем облучаемом слое статистически, под воздействием потока ионов, определяемого ве-

личиной объемной плотности дозы, ф(х), ф(х) = Гр(х)ф, протекают последовательные реакции образования слоеных комплексов

, где п = 0,1,2,3. Комплекс 81о0 соответствует незаполненной ловушке, количество которых много больше, чем внедряемых ионов. Комплексы вт и содержащие один и

два атома дейтерия относительно устойчивы в условиях облучения. Комплекс Б1о3 неустойчив и диссоциирует с образованием

о -комплекса и -молекулы, которая выводится из мишени, независимо от места ее образования, с вероятностью равной единице. Полученное решение системы дифференциальных уравнений для предложенной последовательности радиационно-стимулированных реакций позволяет определить концентрации 810 и 31Ц2 -комплексов в зависимости от величины объемной дозы в любом сечении параллельном поверхности (рис.За,б), вычислить коэффициент ре-эмиссии, В,как функцию дозы облучения (рис.Зв) и сравнить рассчитанные зависимости с экспериментально полученными кривыми.

В аморфизированном кремнии расчетные и экспериментальные профили совпадают до доз ф « фКр (рис.2а,б и За,б). Действительно, концентрация легконасыщагацихся дейтерием или водородом оборванных связей в аморфном кремнии составляет ~ Ю2* см3 и кажется маловероятным перемещение межузельных о -атомов на длину, превосходящую среднее расстояние ( нм) между оборванными связями.

В кристаллическом кремнии наиболее существенное расхождение расчетных и экспериментальных профилей наблюдалось после облучения ионами с энергией Е ¿=1 кэВ при ф & фКр (рис.2в,г и За,б). Одаако корреляция интегральных содержаний в10 и

°2 -комплекссв, определенных в экспериментах и рассчитанных на основе предложенной модели, дает основание считать,

что модель удовлетворительно описывает изменение общего содержания ловушек при облучении. Но она не учитывает перераспределение мвжузельннх о -атомов в зоне торможения внедряемых ионов. По-видимому, расхождения связаны с влиянием процессов, происходящих на облучаемой поверхности (поверхностная амортизация, эрозия) и в приповерхностной области (облегченное образо-

Концентрационные профили а (а) и с2 (б)-комплексов,рассчитанные с помощью модели радиащонно-с табулированных последовательных реакций после облучения кремния ионами с энергией Ей=1 кэВ и дозой (см~2): 1а - Ю15; 2а,16 - 2-1016; 26,За -- ГО^; 36,4а - 5* 10^. Экспериментальная (I) и расчетная (Й зависимости коэффициента реэмиссш, Б, от дозы ф при облучении кристаллического кремния ионами с энергией Е ^ =5 кэВ (в).

ваше дефектов вблизи границы окисел кремния - кремний) в сочетании с диффузионным переносом о-атомов из близлежащих слоев

На участке насыщения дейтерием экспериментально измеренные и рассчитанные профили бю и -комплексов имели столико-

образнуи форму, что связано с достижением предельной концентрации ловушек каждого типа и выводом избыточного дейтерия из любой точки в области плато.

Появление поверхностных максимумов концентрации э^б и

81 р2-комплексов при Ф ^ Фцр (рис.2) обусловлено увеличением в-пористом материале длины пробега ионов анализирующего пучка и, как следствие, искажением формы всего профиля. Этот вывод был сделан из экспериментально установленного факта: при уменьшении энергии ионов аргона с 4 до 1-2 кэВ измеренные профили становились близкими к плато. Эволюция профилей йю и п2 -комплексов при фКр обусловлена структурными изменениями (появление пор, развитие рельефа) в центральном и приповерхностном участках зоны торможения (см.ниже), приводящих к нарушению рассмотренного цикла реакций.

Основным моментом обсуждаемой модели реэмиссш является возможность образования и беспрепятственного выхода молекулярного дейтерия из любого сечения зоны торможения. Прямое подтверждение этого предположения - непосредственное измерение дозовой зависимости потоков о2 -молекул, выходящих из сечений, - пока не получено. Однако, корреляция цриводимого в литературе и рассчитанного на основе предложенной модели коэффициента реэмиссш (рис.Зв), отсутствие перезахвата дейтерия выходящего из более отдаленных от поверхности слоев на приповерхностных радиационных дефектах (кривая За,рис.2), осуществление реэмиссии посредством

т>2-молекул (согласно литературным данным) являются убедительными косвенными аргументами в -пользу предлагаемого механизма. Кроме того, выполненные при комнатной температуре специальные иссле-

довашя по сорбции кислорода кремнием до и после облучения установили факт проникновения кислорода на глубину, равную длине пробега ионов (после доз ф & ф^р)• Такое аномальное проникновение, по всей видимости, становится возможным благодаря формированию системы взаимосвязанных цепочек в!в2 -комплексов (скорость образования которых максимально вблизи фКр(рис.2б,г). Цепочки комплексов обеспечивают реэмиссию о2 -молекул из объема к поверхности во время облучения и транспорт кислорода в обратном направлении при выдержке образцов в атмосфере этого газа.

В четвертой главе проанализирована термическая стабильность дейтеросодержащих комплексов и микроскопическая структурная эволюция матрицы в процессе накопления этих комплексов.

Термическая стабильность дефектов изучалась с помощью ТДС спектров Е>2-молекул из предварительно облученного образца (в интервале доз ф=6«1015- Ю18 см-2 и энергий Еа =1-5 кэВ). Скорость выделения ю2 -молекул имела два максимума. Низкотемпературный пик (Т=550 К) не зависел от энергии внедряемых в подложку ионов. Он появлялся после доз облучения вблизи ФКр и при ф фКр количество выделившегося в этом пике дейтерия выходило на насыщение (рис.1). Температура пика (так же как и его полуширина) не зависела от концентрации внедренного дейтерия.

Высокотемпературный пик регистрировался во всем интервале доз. При ф фКр практически весь внедряемый дейтерий приходился на этот пик. С увеличением содержания дейтерия температура пика (так же как и его полуширина) оставалась неизменной, а количество выделяющегося дейтерия выходило на насыщение при дозах . ф « фКр. В последующих экспериментах удалось установить сдвиг пика в сторону высоких температур при увеличении энергии

внедряемых ионов от 750 К (для ^ =1 кэВ) до 850 К (дал Ed = = 5 кэВ).

Количество г>2 -молекул, выделяющихся в вдзко(высоко) температурном пике, в пределах точности эксперимента, соответствовало количеству siD2 ( siD )-комплехсов (по данным послойного анализа). Руководствуясь этими установленными фактами, можно сделать выводы о том, что выделение d2 -молекул в пиках связано с диссоциацией slD2 и si d -комплексов, и их распад можно описать реакцией первого порядка.

Первый порядок реакции диссоциации si d2 -комплексов ( EgiD ^1,7 эВ) вероятно связан с пространственной близостью рекомбинируших при нагреве d -атомов в каждом таком комплексе. Тот же порядок диссоциации SiD -комплексов (е^. „ 2,1

Ь1 1)

эВ) вызван делокализацией при отжиге части d -атомов из ловутсек с последующим образованием d2 -молекул.

Возникшие при диссоциации комплексов d2 -молекулы диффундируют к поверхности. В этой связи важно подчеркнуть, что диффузия не оказывает влияние на низкотемпературный пик, так как транспорт с2 -молекул в этом случав осуществляется по цепочкам si D^-комплексов. Когда в образце уже не остается siD2~ комплексов, разумно ожидать смещения в сторону больших температур пика, связанного с диссоциацией sid -комплексов при увеличении расстояния места локализации внедренных частиц до поверхности (при увеличении энергии внедряемых ионов).

Анализ структурных превращений был выполнен методом ПЗМ (Е 8л-.=30° кэВ) на препаратах, приготовленных в виде поперечных шлифов из облученных образцов см-2, Ed = = 5 кэВ). Структурную эволюцию в указанных условиях облучения дажно условно охарактеризовать тремя этапами: I - формирование

кристаллических дефектных (КД) и, на их основе, аморфных областей в кристаллическом кремнии; 2 - рост в аморфных областях сфероподобных пор, сообщающихся друг с другом и с облучаемой поверхностью; 3 - развитие рельефа, обусловленного длительным распылением. Первый этап охватывал интервал доз до ф < ф^. Образование ВД области происходило в сечениях матрицы параллельных поверхности после объемных доз облучения ф=4+6 Ю2^ см-3 и локальной концентрации смещений вблизи 1-2 сна (смещений на атом). Такой вывод был сделан из установленного факта существования резкой границы параллельной облучаемой поверхности между КД и аморфной областью (рис.4) КД область состояла из разориентированных на 2° кристаллитов размером 15 нм. Эти 1фисталлиты не содержали внутри себя дефектов, но были разделены прослойками аморфизированного кремния размером 1-2 нм. Анализ аморфных межкристаллитных границ свидетельствовал о локальном растяжении близлежащих кристаллических участков.

аморфная обл.?;

КД обл. дислокации

потж

■ййЩй-.чк-М'У- ,1 '"Л

.\ •; амор-' фная ' обл.

■.'•К 'V ■

»•■V. ■КД -^Ч, ¿Г обл.

1Г.

«л»-

'■о

Рис.4. Изображение зоны торможения ионов дейтерия с энергией Еа =5 кэВ и дозой ф=4* Ю^"7 см-2 внедренных в кристаллический кремний

~ Í9 ~

Образование КД области происходило посредством амортизации малой доли кристаллического материала цри формировании прослоек. По всей видимости, наблюдаемая разориентация кристаллитов является следствием объемного несоответствия кристаллической и аморфной фаз. Параллельно осуществлялся- отток некоторой части межузельных атомов кремния в область матрицы, простирающуюся за зоной торможения ионов, о чем свидетельствовало образование линейных и плоских (петель) дефектов мекузельного типа (рис.4).

Второй этап структурных превращений приходился на интервал доз ф # фКр. Он характеризовался образованием и ростом сфероподобных пор (рис.4). Поры были расположены не хаотичнр, а группировались в ряды параллельные облучаемой поверхности.

тп р

После облучения дозой ф=4-1Сг' см размер пор в аморфной области составлял 20+30 нм, а вблизи поверхности и на периферийных участках - 2+4 нм. В КД области поры не наблюдались.

Процесс роста пор в сечении, параллельном облучаемой поверхности, определялся плотностью дозы в этом сечении. Действительно, зона роста пор симметрична относительно среднепроециро-ванного пробега внедряемых ионов (рис.4). Рост пор обусловлен переносом межузельных атомов кремния на поверхностные и объемные стоки. Основанием для такого вывода послужило наблюдаемое увеличение поперечного сечения зоны торможения в местах наибольшего скопления пор.

После облучения до 'ф > фКр начинался третий этап формирования структуры, связанный с выходом на облучаемую поверхность кристаллических участков, различно разориентированных (на 20°) и образующих муар на изображении. В целом, размер пор увеличивался до величины, близкой к ширине зоны торможения, объем

аморфной фазы уменьшался и многие поры огранялись кщсталшчвс-ким материалом. В зоне торможения было затруднительно выявить установленные структурные компоненты, так как она представляла их механическую смесь. По всей видимости, формирование струк туры на этом этапе обусловлено возросшей вероятностью эр^озии материала в области роста пор.

В пятой главе описаны модельные эксперименты по изучению накопления дефектов и дейтерия в кремнии, облученном моноэнер-гетическиш ионными пучками (интервал энергий Ей =40-500 эВ и доз ф=5*10^-10^® см-2). Полученные результаты использовались для определения параметров (потоков и энергий) дейтериевой плазмы по следам ее взаимодействия с кремниевыми подложками (зондами), экспонированными в токамаках. Для исследуемого интервала энергий и доз облучения наблодалось накопление дефектов в матрице (по данным ДБЭО). Вначале дефектная структура формировалась вблизи поверхности и затем распространялась вглубь по мере увеличения дозы. Такой вывод следовал из анализа диффрак-вдонных сигналов для увеличивающихся порядков отражения. По всей видимости, зарождение этой структуры происходит в окрестностях границы раздела окисел кремния-кремний и связано с понижением пороговой энергии образования радиационных дефектов.

Концентрация внедренных частиц (по данным послойного анализа) была максимальна вблизи поверхности. Полуширина контраци-онных профилей увеличивалась с ростом дозы до значения, сравнимого со средним проецированным пробегом дейтерия.

Общее содержание дейтерия и радиационных дефектов в образце линейно возрастало с увеличением дозы облучения. После достижения дозы ф л фКр указанные величины стремились к постоянным значениям, которые однозначно определялись энергией внедря-

емых частиц^ Сопоставление полуширины концентрационного профиля дейтерия с толщиной аморфного слоя позволяет сделать вывод о предпочтительной локализации дейтерия в нарушенном слое матрицы.

Собирающие зонды экспонировались в течение 1,3 и 10 рабочих импульсов разными составляющими потока ионов и нейтральных частиц в пристеночной плазме токамака. Последующий анализ зондов с помощью названных выше методик показал, что захват дейтерия и накопление дефектов в подложках экспонированных в плазме токамака и облученных . моноэнергетическими пучками протекает сходным образом. Полученные данные свидетельствуют о том, что повышенная температура зонда в момент разряда, наличие примесей в потоке ионов дейтерия, разброс по энергиям у внедряемых в зонд частиц не оказывают заметного влияния на процессы накопления в кремнии во время рабочих импульсов.

На основании перечисленных результатов предложена методика определения величины потоков частиц и их энергий в токамаке. Ее суть заключается в построении для любого из зондов зависимости изменения общего содержания дефектов (дейтерия) от числа импульсов, определении из этой зависимости предельного содержания, присвоении потоку частиц, обусловившему такое предельное содержание, значение энергии моноэнергетического облучения, а насыщающему экспонированию - значение критической дозы.

Энергия тороидального потока ионов оказалась равной 80* +150 эВ, а его величина - (3*5) Ю"1"5 энергия нейтраль-

ных атомов дейтерия составила 100-120 эв, а соответствующий поток оказался равным (2*3)ТО16 см с .

В заключении обсуждаются наиболее важные закономерности образования и эволюции гидрогенизированной структуры на основе

кристаллического кремния.

При одновременном введении дейтерия и радиационных дефектов в кремний образуются термически устойчивые до 500 К б • и в2 -комплексы. Концентрационные профили этих комплексов не всегда соответствовали функции распределения пробегов внедряемых ионов. После доз облучения ф<?г фКр в мишени формируется система о -комплексов, количество которых выходило на насыщение вблизи фдр. В сечениях зоны торможения, где концентрация б -компонентов была близка к предельному значению,эффективно формировались зю2 ловушки. В соответствии с представлением о формировании ансамбля в1Вп -комплексов на основе радиа-ционно-индуодрованных вакансии, .появление этих комплексов должно сопровождаться накоплением дефектов в матрице.

Структурная эволюция начинается с образованием кристаллической дефектной области, в которой дейтерий находится в виде в! б -комплексов. Дальнейшее накопление дефектов и дейтерия вызывает формирование аморфной области, что приводит к возникновению системы в2 -комплексов. Разумно было бы ожидать, при ф фКр достижения предельной концентрации 81 вп -комплексов , связанной с выводом избыточного дейтерия по системе микропор, существующих в аморфном материале. Однако, как было показано выше, гидрогенизированная структура продолжает видоизменяться с увеличением дозы облучения. Этот процесс связан с радиационно индуцированной сегрегацией микропор, В процессе роста пор увеличивается вероятность эрозии поверхности, что отражается на .профилях 81 В И в2 -комплексов.

~ 23 ~

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены новые методики определения концентрации дейтерия в ловушках двух типов ( в! о и ю2-комплексов), основанные на сочетании МСШ, МСШ и ТДС.

2. Разработана методика анализа нарушений в тонких приповерхностных слоях кристаллов,основанная на ДБЭО.

3. Показано, что в зоне торможения ионов дейтерия происходит формирование ансамблей точечных дефектов, содержащих один и два атома дейтерия, и б2 -комплексы. При малых дозах облучения весь внедряемый дейтерий остается в мишени в виде

я* б-комплексов, профиль которых не всегда соответствует функции распределения пробегов ионов. При дозах облучения, близких к фКр,на основе системы б -комплексов,начинает формироваться система о2 ловушек. Профили последних оказались симбатны

распределениям о -комплексов.

4. Предложена модель радаационно-ускоренных, последовательных реакций, удовлетворительно описывающая изменение содержания

-комплексов.

5. Показано, что цри ф ^ ф^р накопление дейтерия в мишени прекращается, распределения в! о и и>2 -комплексов принимают столикообразную форму. В предложенной модели возможность достижения предельной концентрации связана' с образованием ^ -■тльщл. Перемещение о2 -молекул к облучаемой поверхности, вероятно, осуществляется по ансамблю в2 -комплексов.

6. Установлено, что наличие двух пиков (низко-высокотемпературного) на спектрах ТДС связано с диссоциацией вши а-комплексов. Температура пика,связанного с распадом ловушек не зависит от энергии внедряемых частиц, а пика, связанного с распадом о ловушек,- увеличивается с ростом энергии внедряемых ионов.

7. Обнаружено, что при облучении в матрице происходит структурная эволюция, которую можно охарактеризовать тремя этапами: I - формирование кристаллических дефектных и на их основе аморфных областей в монокристаллическом кремнии (при ф^ $Кр)» 2 - рост в аморфных областях сфероподобных пор, связанных с облучаемой поверхностью (при ф « ФКп); 3 - развитие рельефа, обусловленного эрозией (при ф^> фкв).

8. Установлена корреляция между количеством радиационных дефектов, захваченного дейтерия и условиями облучения. Предложена методика, позволяющая оценить энергии и потоки ионов и нейтральных атомов дейтерия в пристеночной плазме токамака.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Ло(Мидзе М.А.ВИМС высокого разрешения для анализа импланта-ционных профилей дейтерия// Труды конференции молодых ученых ИФХ АН СССР. М. 1988- схр. 225-237.

2. Grashin S.A., Sokolov Y.A., Alimov V.Kh., Gorodetsky A.E., Zakharov A.P., Lomidze M.A., Fomichev A.I., Sharapov V.M.// Deuter rium flux and energy measurements with collecting Si-probes

in the Tokamak scrape off layer// In abs. Int. Conf. Plasma-Surface interaction. Julich 1988, p.108.

3.Ломидзе M.À., Городецкий A.E., Захаров A.П.//Определение толщины аморфных пленок на кремнии методом дифракции быстрых электронов на отражение// Поверхность-1989-З-стр.55-59.

4. Ломидзе М.А., Городецкий А.Е., Захаров А.П.//Накопление и

I

термическое выделение НД и Д2 молекул из кремния облученного ионами Д2// Труды 9й всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" М. 1989-гом2-с.210-212.

5. Grashin S.A., Sokolov Y.A., Alimov V.Kh., Gorodetsky A.E., Kanashenko S.L., LomidzeM.A., Fomichev A.I., Sharapov V.M.// Collecting Si-probes for investigation of geuterium fluxes and energies in the tokamak scrape off layer// In abs. 9^ Int. Conf, ; Plasma-surface interaction. Burnemouth 1990- p.189.

6. Ломидзе M.A., СиаороВ M. В. [ Особенности ..накопление SiD^ комплексов при облучении кремния ионами . • D^ c.Sf«^- ' Xl/ètf- 2- И У- // Труды конференции молодых ученых

ИФХ АН СССР. М. 1989- стр. Й2 •

Черметинформация, зак.1033, тир.120, уч.-изд.л.1,0, печ.л.1,5, усл. кр.-отт. 1,75, подписано к печати 15.10.90г.