Анотація до роботи:

Гуцуляк Т.Г. “Еволюція дефектної структури кремнію, опроміненого високоенергетичними частками, в процесі природного старіння” - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2003.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню методами Х-променевої дифрактометрії та внутрішнього тертя впливу високоенергетичного електронного та гамма-опромінення на ступінь структурних змін кремнію в процесі природного старіння. Виявлено, що природне старіння монокристалічного кремнію, вирощеного за методом Чохральського протягом тривалого часу (>10⁴год) призводить до розпаду перенасиченого твердого розчину кисню, який супроводжується виникненням суттєвих неоднорідних напруг і зростанням концентрації дрібних мікродефектів, які виявляються всіма досліджуваними методами. Рівень напруг, що виникають при розпаді перенасиченого твердого розчину кисню, значно перевищують напруги при механічній обробці матеріалу. Ефективне покращення структурної досконалості монокристалів кремнії спостерігається тільки для опромінених електронами кристалів дозами 1.8 і 3.6 кГрей після 3000 год. Опромінення високоенергетичними електронами та гамма-квантами (Е~18МеВ) призводить до утворення в структурі кристалічної гратки кремнію дислокаційних петель. Розмір дефектів, які утворилися після опромінення електронами, нелінійно залежить від дози опромінення. Встановлено, що природне старіння опромінених електронами кремнію, поряд з утворенням вторинних радіаційних дефектів, призводить до укрупнення власних мікродефектів.

За допомогою методів Х- променевої дифракції та методу внутрішнього тертя проведені комплексні дослідження механізмів та динаміки структурних змін у кристалах кремнію опромінених високоенергетичними електронами і гамма-квантами в процесі природного старіння.

1. Виявлено неоднозначний вплив величини дози опромінення високоенергетичними частками на структурну досконалість монокристалів Si, вирощених за методом Чохральського в процесі довготривалого природного старіння. В цілому опромінення привело до зростання загальної концентрації мікродефектів (n ~ 10³-10⁶). Природне старіння протягом тривалого часу (30000 год) призводить до утворення в Si істотних внутрішніх напруг (e ~210^-5). Причиною їх виникнення, очевидно, є низькотемпературна преципітація кисню із перенасиченого твердого розчину для неопромінених кристалів і еволюція вторинних радіаційних дефектів та їх комплексів на фоні низькотемпературної преципітації кисню із перенасиченого твердого розчину – для опромінених кристалів. Рівень напруг, які виникають при розпаді перенасиченого твердого розчину кисню значно перевищують напруги при механічній обробці матеріалу.

2. Збільшення енергії опромінення призводить до зростання ступеня структурного розупорядкування поверхневих шарів, росту структурної неоднорідності і його ефективного зменшення в об’ємі кристалу. Ефективне покращення структурної досконалості спостерігається тільки для зразків опромінених високоенергетичними електронами (Е~18 МеВ) дозами 1.8 і 3.6 кГрей після 3000 год витримки при кімнатній температурі, що пов’язано з переважним впливом макродеформацій на дифракційні процеси.

3. У процесі тривалого природного старіння зразків, опромінених різними дозами, процеси релаксації деформації відбуваються за різними механізмами. Із даних, отриманих методом Х-променевоакустичного резонансу, слідує, що в зразках, опромінених дозою 1.8 кГрей, дефектна структура залишається незміною, а для зразків, опромінених дозою 3.6 кГрей, релаксація деформацій відображається у збільшені концентрації мікродефектів, розміри яких (~8 мкм) значно менші за екстинційну довжину (36,28 мкм).

4. Показано, що опромінення високоенергетичними електронами призводить до утворення в приповерхневих шарах монокристалів кремнію різних структурних дефектів, в основному, дислокаційних петель. Встановлено, що радіусу де-фектів досягає мінімуму (~6 мкм) при 2.7 кГрей, а максимального розміру (~20 мкм) – при 5.4 кГрей.

Природне старіння опромінених електронами кристалів кремнію, поряд з утворенням вторинних радіаційних дефектів, призводить до укрупнення власних мікродефектів.

5. Опромінення монокристалів кремнію гамма-квантами дозами 0.4 і 0.8кГрей не призводить до ефективного покращення структурної досконалості. В процесі природного старіння спостерігаються наступні стадії дефектоутворення:

І. (до 15000 год) – стадія інтенсивного зростання розміру власних дефектів.

ІІ. (15000-30000 год) – утворення дрібних мікродефектів SiO_x на фоні зростання концентрації комплексів вторинних радіаційних дефектів.

6. Дислокаційна структура, утворена під час гамма-опромінення, ускладнюється у процесі старіння внаслідок розпаду пересиченого твердого розчину кисню. Трансформація форми розподілів І_h(х) і зростання величини відносної де-формації e вказує на те, що процеси старіння ускладнюють вихідну неоднорідно розподілену дефектну структуру в даних зразках. Це не дає змоги розділити окремі внески від мікро- (локалізованих мікродефектів відносно невеликих концентрацій ~10⁶ см^-3) і макродеформаційних полів.

Cписок цитованої літератури

1*. Таланин В.И., Таланин И.Е Термодинамический аспект модели формирования микродефектов в полупроводниковом Si // УФЖ. - 2003. - 48, №2. - С.122-127.

2*. Малец Е.Б., Солошенко И.И., Калышан А.В. Внутреннее трение в металлах, полупроводниках и феромагнетиках. - М.: Наука, 1978.

3*. Молодкин В.Б., Немошкаленко В.В., Низкова А.И., Олиховский С.И., Первак Е.В. Интегральная рентгеновская дифрактометрия несовершенных монокристаллов при совместном использовании геометрий дифракции по Лауэ и Брэггу, а также жосткого и мягкого рентгеновских излучений: Препр./ UNSC 1. – K.: 1998. – 30 с.

Основні результати роботи викладені в наступних публікаціях:

1. Гімчинський О.Г., Гуцуляк Т.Г., Караушу В.Р., Мармус П.Є., Раранський М.Д., Фодчук І.М. Структурна досконалість кристалів кремнію після високоенергетичного електронного опромінення // Науковий вісник ЧНУ. Вип. 86. Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2000. - С.87-91.

2. Гімчинський О.Г., Гуцуляк Т.Г., Гевик В.Б., Маслюк В.Т., Раранський М.Д., Фодчук І.М. Рентгенакустичні дослідження кристалів Si, опромінених високоенергетичними електронами // Науковий вісник ЧНУ. Вип. 92. Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2000. - С. 20-25.

3. Гимчинский А.Г., Гуцуляк Т.Г., Фодчук И.М., Раранский Н.Д., Маслюк В.Т., Омельянчук В.П. Структурные изменения в кристаллах после облучения высоко-энергетическими электронами // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. -24, №4. -С.533-539.

4. Gimchinsky O.G., Gutsulyak T.G., Olijnich-Lysjuk A.V., Raransky N.D., Fodchuk I.M. Evolution of defective structure of the irradiated silicon during natural ageing // Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics. - 2003. - 6, №3. - С.43-49.

5. Гуцуляк Т.Г., Гімчинський О.Г., Маслюк В.Т., Олійнич-Лисюк А.В., Фодчук І.М. Структурні зміни в кристалах кремнію після високоенергетичного електронного і гамма-опромінення // Науковий вісник ЧНУ. Вип. 157. Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2003. - С.30-39.

6. Гуцуляк Т.Г., Маслюк В.Т., Олійнич-Лисюк А.В., Раранський М.Д., Фодчук І.М. Дефектоутворення в кристалах кремнію після високоенергетичного електронного і гамма-опромінення // УФЖ - 2003. - 48, №9.-С.15-20.

7. Novikov S.M., Raransky M.D., Fodchuk I.M., Bobrovnik S.V., Marmus P.E., Gutsulyak T.G. Influence of macrodeformations on image formation of microdefects in crystals // 3d International school-conference on PPMSS, 7-11 September, 1999.- Chernivtsi (Ukraine). - 1999. - P.14.

8. Гимчинский А.Г., Мармус П.Е., Раранский Н.Д., Фодчук И.М., Маслюк В.Т., Гуцуляк Т.Г. Исследования структурных и электрофизических изменений в кристаллах Si, облученных высокоэнергетическими электронами // Международная конференция, посвященная методам рентгенографической диагностики несовершенств в кристаллах, применяемых в науке и технике, 11-15 октября 1999. - Черновцы (Украина). - 1999. - С.51.

9. Raransky M.D., Fodchuk I.M., Borcha M.D., Crytsun I.I., Hutsulyak T.G. Multivawe diffractometry of the real crystals // The VII international conference of physics and technology of thin films. October, 4-8, 1999. - Ivano-Frankivsk (Ukraine). - 1999. - P.110.

10. Гимчинский О.Г., Гуцуляк Т.Г., Маслюк В.Т., Раранский Н.Д., Фодчук И.М. Структурные изменеия в кристаллах Si после высокоэнергетического электронного облучения // The VIІI International Conference of Physics and Technology of Thin Films 14-19 мая 2001. - Ивано-Франковск (Україна). - 2001. - С.49.

11. Gimchynsky O.G., Maslyuk V.T., Marmus P.E., Raransky M.D., Fodchuk I.M., Hutsulyak T.G. Investigation of silicon crystalls after irradiation by high-energy electrons // III National Conference of Using X-Ray and Synchrotron Radiations, Neutron and Electron Radiation for Material Study. 21-25 May, 2001, Moscow (Russia). - 2001. - P.256.

12. Gimchynsky O.G., Gutsulyak T.G., Raransky M.D., Fodchuk I.M., Swiatek Z. Strain Relaxation Analysis of Silicon Crystals After High Energy Electron Irradiation // 6th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging, 10 - 14 September. - Grenoble-Aussois (France). - 2002. - P.113.

13. Гуцуляк Т.Г., Олейныч-Лысюк А.В., Раранский Н.Д., Фодчук И.М. Дефектообразование в кристаллах кремния после высокоэнергетического облучения// ХІ міжнародна конференція "Фізика і технологія тонких плівок". 19-24 травня, 2003. - Івано-Франківськ (Україна). - 2003. - С.197-198.