СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ РАЗРУШЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ОБРАЗЦА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ОБЛУЧЕНИЯ УСКОРЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ Российский патент 2023 года по МПК G01T1/202 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области физики, в частности, к ускорительной технике, и может быть использовано для контроля степени разрушения кристаллической структуры образца в процессе облучения ускоренными частицами. Данное изобретение может быть использовано без нарушения вакуумного цикла, in situ, непосредственно в процессе облучения. Способ найдет свое применение при решении задач по созданию образцов газовых сенсоров, электронных и оптических компонент, в т.ч. суперконденсаторов, стабилитронов, диодов и т.п.

Уровень техники

Облучение кристаллических образцов ускоренными частицами приводит к образованию радиационно-индуцированных дефектов, характер и плотность которых зависят от выбранных параметров пучка и последующего отжига. В процессах облучения пучками частиц важно контролировать механизмы перестройки структуры, поскольку создаваемые точечные и протяженные дефекты влияют на функциональные свойства материала образца. В частности, внедренные дефекты, возникающие при облучении заряженными частицами, гамма-излучением или нейтронами влияют на эффективность электрической активации и в дальнейшем на характеристики электронных устройств на основе облученных материалов, включая параметры проводимости. В этой связи для контролируемого создания необходимой структуры образца, влияющей на функциональные свойства материала образца, необходимо определять степень разрушения кристаллической структуры в процессе облучения ускоренными частицами. Облучение ускоренными частицами можно использовать для трансформации хемосенсорных, электрофизических и оптических свойств образца, при этом также необходимо контролировать изменение кристаллической структуры в процессе облучения без нарушения вакуумного цикла. Заявляемый способ позволяет непрерывно контролировать степень разрушения кристаллической структуры образца внутри вакуумной камеры во время облучения.

Существуют различные способы для определения степени разрушения кристаллической структуры образца. Степень разрушения кристаллической структуры образца можно оценить по измерению его плотности, используя теплофизические методы, а также методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), инфракрасной спектроскопии (ИК-спектроскопии), рентгеноструктурного анализа и т.д.

Из уровня техники известен способ, который позволяет оценить степень разрушения кристаллической структуры, в частности, накопление радиационных дефектов при ионном облучении полупроводников с помощью регистрации характеристического рентгеновского излучения, возбуждаемого ионами в режиме каналирования [Горшков О.Н., Тетельбаум Д.И. // Тез. докл. 17 Всесоюз. совещ. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М.: МГУ, 1987 г. С. 104.]. Данный способ позволяет in situ следить за степенью радиационного воздействия. Недостатком данного способа, в ходе которого регистрируется характеристическое рентгеновское излучение, является более сложный и дорогой процесс регистрации в отличие от регистрации при помощи полупроводникового детектора (ППД).

Из уровня техники известен способ определения степени разрушения кристаллической структуры образца, основанный на измерении интенсивности рефлексов на рентгенограммах, например, [Трилор Р. «Введение в науку о полимерах», стр. 148, 1973 г.]. Реализация его состоит в идентификации резких пятен или колец (в зависимости от объекта) как рефлексов от кристаллической фазы и диффузного гало, или фонового рассеяния, как результата присутствия в веществе аморфного компонента. Если степень кристалличности вещества увеличивается, то растет и интенсивность кристаллических рефлексов, в то же время интенсивность аморфного гало уменьшается. Сравнивая эти интенсивности, можно определить степень кристалличности. Рентгенографический способ определения степени разрушения кристаллической структуры образца позволяет по рефлексам рентгенограмм различать кристаллические и аморфные области. Недостатком данного способа является необходимость проведения измерений с помощью отдельно стоящей установки, невозможность отслеживания изменения структуры образца непосредственно в камере, где происходит облучение.

Из уровня техники известен способ [Борисов А.М., Крылова Е.А., Машкова Е.С., Немов А.С., Питиримова Е.А., Хохлов А.Ф. // «Исследование изменения кристаллической структуры поверхностных слоев графита при интенсивной ионной бомбардировке». Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронный исследования, 2003, № 4, с. 92-96], который позволяет следить за степенью разрушения кристаллической структуры при ионном облучении, отслеживая изменение поверхностного слоя методом дифракции быстрых электронов на отражение. Данный способ позволяет получать информацию о кристаллической структуре на глубинах 10-15 нм. Электронографическое исследование проводилось на электронографе ЭМР-102 при ускоряющем напряжении 50 кВ и токе пучка 50 мкА. Электронограммы фиксировались цифровой видеокамерой через стекло электронографа с флюоресцирующего экрана. Недостатком данного способа также является необходимость измерения с помощью отдельной установки, невозможность отслеживания изменения структуры образца непосредственно в камере, где происходит облучение.

Из уровня техники известен способ [Патент RU 2064678 С1], который позволяет определять степень разрушения кристаллической структуры образца за счет нагрева исследуемого образца и измерения его геометрических размеров с последующим вычислением степени кристалличности. В данном способе используется термостат, держатели, в которых между двумя упорами неподвижным и подвижным помещают испытуемый образец; подвижный упор и держатель оснащены рычажно-оптическими датчиками малых перемещений, фиксирующими изменение образца. Для повышения точности определения степени кристалличности композиционных полимерных материалов определяют скорость термического расширения образца при двух значениях температур, соответствующих начальной и конечной стадиям образования кристаллической фазы, а искомую характеристику определяют из отношения указанных скоростей термического расширения образца. Недостатками реализации данного способа являются нагрев образца, который может повлечь за собой необратимые изменения образца, а также погрешности в измерении геометрических размеров образцов сложной формы и невозможность отслеживания изменения структуры образца непосредственно в камере, где происходит облучение.

Из уровня техники известен способ определения степени разрушения кристаллической структуры образца, основанный на ЯМР-спектрометре, например, [Патент RU 2175765 С1]. Данный способ основан на различиях в химических сдвигах спектров от атомов кристаллических и аморфных областей, изменении их интегральных интенсивностей при изменении кристалличности. Недостатками данного способа являются его сложность, трудоемкость в изготовлении и использовании дополнительных устройств, невозможность отслеживания изменения структуры образца непосредственно в камере, где происходит облучение.

Наиболее близким решением к заявляемому изобретению является способ для определения ориентации кристалла и искривления кристаллической решетки в поликристаллических образцах [US 6462340 B1]. Способ реализуется с помощью источника сфокусированного электронного пучка, держателя образцов, детектора электронов, детектора отраженных рентгеновских лучей метода Косселя, устройства обработки изображений и дисплея. Данный способ основан на использовании метода Косселя отражения рентгеновских лучей в комбинации с методом дифракции электронов для одновременного измерения ориентации кристалла и кристаллических дефектов. Также используется фильтр из ультратонкой бериллиевой фольги или пленки, осажденной из газовой фазы, который располагается между образцом и детектором при использовании метода Косселя отражения рентгеновских лучей, что снижает время измерения, а также позволяет создать более компактную конструкцию устройства. Отраженные рентгеновские лучи Косселя и электронные пучки от образца, поддерживаемого держателем, в ответ на облучение электронными пучками пропускают через фильтр, таким образом извлекая отраженные рентгеновские лучи Косселя. Испускаемый электронный пучок относится к тому типу, который обычно используется в методах дифракции электронного пучка, он более узкий и генерирует меньший ток по сравнению с теми, которые обычно используются в методе отражения рентгеновских лучей Косселя. Отраженные рентгеновские лучи Косселя преобразуются в видимый свет через люминофор, включающий стекловолокно, а затем обнаруживаются детектором, реализованным с помощью ПЗС-матрицы. Данные измерений вводятся в процессор обработки изображений через интерфейс и накапливаются в течение заранее определенного периода, на основании которых формируется дифракционное изображение, которое отображается на дисплее. Ориентацию кристаллов и их дефектность рассчитывают, анализируя структуру и расходимость линий дифракционного изображения. Для получения информации по всей площади поверхности должно быть проведено несколько измерений.

Недостатком данного способа является проведение измерений с помощью отдельной установки, то есть невозможность отслеживания изменения структуры образца непосредственно в камере в режиме ионного облучения, необходимость постобработки изображений и сложность сведения информации от различных детекторов, необходимость изготовления бериллиевого окна для защиты рентгеновского детектора с требуемыми параметрами.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является обеспечение возможности непрерывного контроля уменьшения кристалличности образца в процессе облучения ускоренными частицами, т.е. обеспечение контроля степени разрушения кристаллической структуры образца в режиме реального времени во время облучения образца без нарушения вакуумного цикла процесса облучения.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом изобретения является определение степени разрушения кристаллической структуры образца, имеющего по меньшей мере одну плоскую поверхность, в процессе его облучения ускоренными частицами без нарушения вакуумного цикла.

Технический результат достигается способом определения степени разрушения кристаллической структуры образца, имеющего, по меньшей мере, одну плоскую поверхность, в процессе его облучения ускоренными частицами в вакуумной камере, включающим регистрацию вторичного ионизирующего излучения, включая ионы и электроны, образующиеся в зависимости от параметров облучения, с помощью, по меньшей мере, одного полупроводникового детектора, при различных углах вращения образца и полупроводникового детектора и определение типа каждой регистрируемой частицы по фронту импульса; в случае если на поверхность образца выведена кристаллографическая плоскость, образец располагают на пути пучка ускоренных частиц плоской поверхностью под углом не менее 10° к оси падения ускоренных частиц, с последующим вращением образца по полярному, например, с шагом 30' с регистрацией ионизирующего излучения на каждом шаге в процессе вращения до достижения угла не менее 10° в обратную сторону от нормали, записывают максимальные значения выхода на полученной кривой для каждого из типов частиц (Y_max). Если производителем образца заявлен срез поверхности кристалла не вдоль кристаллографической плоскости, то образец располагают на пути пучка ускоренных частиц плоской поверхностью, например, под углом 45° к оси падения ускоренных частиц с пошаговой регистрацией ионизирующего излучения и поиском минимума зависимости выхода вторичных частиц от взаимного направления нормали к поверхности образца и направления распространения пучка. После измерения зависимости выхода вторичных частиц от расположения образца относительно пучка, образец устанавливают в положение, соответствующее наименьшему выходу по азимутальному углу и производят аналогичное сканирование по полярному углу, после чего образец устанавливают в положение, соответствующее наименьшему выходу по полярному углу, затем детектор последовательно отклоняют по полярному углу, например, с шагом 30', и последовательно определяют соответствующий выход вторичных частиц, отклонения детектора производят на угол в диапазоне от 140° до 170° по отношению к направлению распространения пучка, записывают минимальные значения выхода на полученной зависимости для каждого из типов частиц (Y_min); на основании измеренных данных определяют параметр аморфизации как максимальное значение из отношений Y_min/Y_max для каждого из типов частиц, по которому определяют одну из трех степеней разрушения образца: степень 1 присваивают при значениях параметра аморфизации до 0.7, при которой кристаллическую структуру образца считают неразрушенной, с возможным наличием точечных дефектов; степень 2 присваивают при значениях параметра аморфизации от 0.7 до 0.9, при которой кристаллическую структуру образца считают преимущественно разрушенной с присутствием характерного процесса объединения активных областей дефектов в высоко дефектные области; степень 3 присваивают при значениях параметра аморфизации 0.9 и более, при которой кристаллическую структуру образца считают полностью разрушенной, с переходом в аморфную область.

Для более точного позиционирования образца производят аналогичное сканирование с шагом по углу 1'12" в области минимума полученной зависимости выхода от угла вращения.

Таким образом, при реализации способа регистрируют вторичное ионизирующее излучение и сравнивают его интенсивность при различных углах поворота образца и полупроводникового детектора (ППД), что позволяет непрерывно контролировать степень разрушения кристаллической структуры.

Для облучения используют ускоренные частицы, например, ионы аргона, гелия, углерода, электроны или нейтроны. В качестве образцов могут быть использованы любые кристаллические структуры: из-за блокировки определенных направлений вылета атомами кристаллической решетки, при регистрации вторичных частиц наблюдаются минимумы выхода, в зависимости от угла поворота. Разупорядочивание кристаллической структуры в процессе облучения приводит к деградации этого эффекта. Например, при облучении нейтронами кристалла LiF происходят резонансные реакции с образованием вторичных альфа-частиц, направление вылета которых из кристалла определяется структурой его решетки, при деградации кристаллической структуры в процессе облучения происходит блокировка определенных направлений вылета частиц.

Контроль степени разрушения кристаллической структуры образца осуществляют с помощью установки, которая включает размещенные в камере гониометрическую систему с держателем, на котором расположен исследуемый образец, выполненную с возможностью поступательного перемещения образца в вертикальном направлении и вращения образца вокруг трех осей; и полупроводниковый детектор (ППД), снабженный поворотным механизмом, расположенный с возможностью регистрации вторичного ионизирующего излучения от образца; а также шаговые двигатели, соединенные с гониометрической системой и ППД, выполненные с возможностью угловых перемещений упомянутых устройств; и процессор или компьютер (ПК), содержащий блок обработки данных, включающий подключенную к ПК плату сбора данных, содержащую цифровой вход и вход триггер/счётчик, при этом поворотный механизм, ППД и гониометрическая система расположены на одной оси симметрии, а ПДД содержит блок обработки сигнала, включающий малошумящий предусилитель, соединенный с зарядочувствительным усилителем, АЦП, схему, выполненную с возможностью анализа фронта импульса посредством измерения времени нарастания фронта импульса с ППД, формирования логического сигнала, передающего тип зарегистрированной частицы, а также триггерного сигнала, информирующего о прохождении частицы через ППД.

Угловые перемещения вокруг трех осей производят с точностью поворота с точностью поворота не менее 1'12", вертикальное перемещение осуществляют с помощью микрометрического винта с шагом не более 0.1 мм. Размеры помещаемых на держатель образцов, как правило, составляют не более 50×50 мм.

Для каждого типа частицы определяют параметр аморфизации, являющийся отношением зарегистрированных абсолютных минимума и максимума выхода вторичного излучения, полученных в процессе вращения образца и детектора.

Данный способ контроля кристалличности образца при ионном облучении позволяет осуществлять постоянный in situ контроль степени разрушения кристаллической решетки образцов ионным пучком на ускорителях ионов без нарушения условий вакуума, а также позволяет избежать влияния атмосферных газов на поверхность. В аналогичных способах, применяемых не in situ, происходит нарушение вакуумных условий, что стимулирует образование оксидных плёнок и образование прочих адсорбционных слоев на поверхности образцов, что искажает результаты анализа облученных наноструктур. Сокращение времени между облучением образца ускоренными ионами и изучением полученных модифицированных структур позволяет также минимизировать влияние процессов диффузии на распределения по глубине внедренной примеси и радиационно-стимулированных дефектов.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен принцип работы полупроводникового детектора заряженных частиц, на фиг. 2 представлен график, демонстрирующий фронт импульса сигнала с ППД, на фиг. 3 представлена блок-схема обработки сигнала с детектора, на фиг. 4 схематично представлена часть установки, реализующая заявляемый способ контроля кристалличности образца при ионном легировании, где: 1 - пучок ускоренных частиц, 2 - образец, 3 - держатель образца, 4 - гониометрическая система, 5 - ППД, 6 - поворотный механизм для ППД, 7 - ось симметрии; на фиг. 5 представлена схема экспериментального тракта, где 8 - направляющий магнит, 9 - вакуумные затворы, 10 - квадрупольная триплетная линза, 11 - прямоугольные диафрагмы, 12 - турбомолекулярные насосы, 13 - система контроля дозы падающих частиц, 14 - экспериментальная камера, 15 - зарядочувствительный предусилитель-формирователь, 16 - усилитель; на фиг. 6 представлены кривые выхода вторичных частиц в зависимости от полярного и азимутального углов в области минимума выхода, на фиг. 7 представлена схема расположения в гониометрической системе образца и детектора относительно пучка ускоренных частиц.

Осуществление изобретения

Способ определения степени разрушения кристаллической структуры образца, имеющего по меньшей мере одну плоскую поверхность, в процессе его облучения ускоренными частицами с получением образцов с необходимой степенью дефектности был реализован на ускорителе HVEE-500 (High Voltage Engineering Europa B.V. http://www.highvolteng.com/), создающем пучки ионов от 1 до 250 а.е.м. с энергией до 500 кэВ. Ускоритель состоит из экспериментальной камеры c ионопроводом и базовой части, типичная конструкция представлена в открытых публикациях [A.Fathi, S.A.H.Feghhi, S.M.Sadati, E.Ebrahimibasabi. Technical notes: Magnetic field design for a Penning ion source for a 200 keV electrostatic accelerator. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 850, 2017, pp. 1-6, https://doi.org/10.1016/j.nima.2017.01.028; Н.И. Веников, Источники ионов для ускорителей, стр. 8-26, Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, Москва, 1979 г.]. Также могут быть использованы другие ускорители ионов, электронов, реакторные установки, способные создавать пучки частиц.

Из уровня техники известен параметр для количественного сравнения воздействия облучения на твердотельные материалы, облученные при различных параметрах (например, тип частиц, энергия, доза) - смещение на атом (DPA). DPA есть среднее число смещений каждого атома решетки в области максимума упругих потерь энергии за все время облучения. Оценить количество смещений можно используя аналитические соотношения [G.S. Was, Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys, Springer, New York, 2007], либо с помощью программных кодов, в частности, TRIM и других аналогичных программных кодов. Единица в 1 DPA означает, что в среднем каждый атом в облучаемом объеме смещен один раз из своего равновесного положения в решетке. В таблице 1 показано значение количества смещений на атом DPA для различных кристаллических образцов.

Таблица 1. Зависимость DPA в кристаллических образцах от дозы облучения He⁺ при энергии 80 кэВ.

Кристаллический образец Значения DPA при облучении ионами He⁺ с энергией 80 кэВ для флюенса 10¹²(ат/см²) для флюенса 2×10¹⁵(ат/см²) для флюенса 5×10¹⁵(ат/см²) для флюенса 10¹⁶(ат/см²) С 1.24×10^-5 0.024 0.062 0.124 Si 4×10^-5 0.08 0.2 0.4

В таблице 2 приведено сравнение дозы облучения различными ионами для образования количества смещений на атом DPA=0.5.

Таблица 2. Сравнение дозы облучения при облучении различными ионами (при значении 0.5 смещения на атом (DPA)).

Ион/энергия Доза при облучении
С Доза при облучении
Si DPA=0.5 Ar+ 40 кэВ 8.7×10¹⁴ 2.2×10¹⁴ Fe+ 80 кэВ 2.8×10¹⁵ 9×10¹⁴ Xe+ 100 кэВ 1,7×10¹⁴ 5.6×10¹³ W+ 150 кэВ 1,4×10¹⁴ 4,5×10¹³

Для оценки соответствия параметра аморфизации степени разрушения кристаллической структуры была проведена оценка с известным из уровня техники параметром DPA при различных степенях разрушения образца для различных значений энергий, типов ионов и дозы.

Таблица 3. Сопоставление параметра DPA и параметра аморфизации.

Параметры, характеризующие степень разрушения кристаллических образцов при облучении DPA, смещение на атом Параметр аморфизации: отношение абсолютного минимума к максимуму выхода вторичного излучения Значения параметров менее 0.5 менее 0.7 0.5-1 0.7-0.9 свыше 1 свыше 0.9

Заявляемый способ позволяет осуществлять контроль степени разрушения кристаллической структуры образца (кристалличности образца) в процессе его облучения ускоренными частицами. Установка для реализации заявляемого способа при ионном легировании (фиг. 4) включает гониометрическую систему (4), в которой расположен образец (2), по меньшей мере один полупроводниковый детектор (ППД) (5), регистрирующий вторичное излучение, который расположен на поворотном механизме (6). Образец (2) устанавливают на держатель (3). Поворотный механизм (6) с ППД (5) и гониометрическая система (4) находятся на одной оси симметрии (7) для обеспечения возможности перемещения ППД (5) относительно центра исследуемого образца (2).

Упорядоченное расположение атомов в решетке кристалла позволяет выделить кристаллографические направления и плоскости. При движении падающих частиц вдоль этих выделенных направлений средний проективный пробег налетающих частиц увеличивается, что приводит к уменьшению выхода вторичного излучения. При разрушении структуры образца под действием облучения образованные дефекты блокируют движение падающих частиц вдоль кристаллографических направлений, что приводит к увеличению выхода вторичного излучения. Это приводит к изменению интенсивности вторичного излучения при вращении кристаллического образца. Образовавшееся вторичное излучение в глубине образца также подвержено влиянию кристаллической решетки: при движении вторичных частиц вдоль выделенных направлений средний проективный пробег налетающих частиц увеличивается, что приводит к увеличению выхода вторичного излучения. При разрушении структуры образца под действием облучения образованные дефекты блокируют движение вторичных частиц вдоль кристаллографических направлений, что приводит к уменьшению выхода вторичного излучения. Это приводит к изменению интенсивности вторичного излучения при вращении детектора.

Предлагаемый способ позволяет детектировать вторичные частицы, образованные при взаимодействии падающего пучка с атомами образца, включая полученные в результате резонансных реакций, непосредственно в камере, где происходит облучение.

В соответствии с общими принципами работы ППД, пролетающая через детектор заряженная частица оставляет часть (или 100%) своей энергии в веществе детектора на его ионизацию. Полученные в обеднённой области детектора заряды собираются к краям пластины детектора приложенным к нему электрическим полем, при этом скорость дрейфа зарядов определяется характеристиками детектора и величиной приложенного поля. В пределах цикла измерений эту скорость можно считать постоянной величиной.

С учётом изложенного, фронт импульса сигнала с детектора, в свою очередь, определяется площадью, на которую происходит стекание заряда, и чем выше степень ионизации вещества детектора (т.е. чем шире образованный частицей ионизационный канал), тем большая площадь контакта задействуется для сбора заряда и тем быстрее происходит нарастание амплитуды импульса (схематически показано на фиг. 2).

Экспериментально получено, что при определённых условиях настройки детектора разница в длинах фронтов импульса для электронов и ионов средних энергий (от десятков кэВ и выше) составляет десятки раз, что позволяет, используя быстрые системы сбора заряда, определять тип зарегистрированной частицы без использования дополнительных методов, таких как сравнение отношения dE/E (удельных потерь энергии частицы к её полной энергии) (схематически показано на фиг. 2).

Обработка сигнала с полупроводникового детектора (ППД) (см. фиг. 5) при попадании в него частицы производится следующим образом. Малошумящий предусилитель 15 повышает сигнал с ППД до приемлемого уровня, сохраняя все его характерные особенности. Далее зарядочувствительный усилитель 16 повышает амплитуду сигнала до рабочих значений АЦП. Схема анализа фронта импульса измеряет время нарастания фронта импульса с детектора и формирует логический сигнал, передающий тип зарегистрированной частицы, а также триггерный сигнал, информирующий о прохождении частицы через детектор. Для работы схемы анализа может быть использован 200-МГц АЦП разрядностью 8 бит в комплексе с микроконтроллером.

Сигналы, сформированные в узле детектора, поступают в систему (блок) обработки данных, состоящую из подключенной к ПК платы сбора данных, содержащей цифровой вход и вход триггер/счётчик (фиг. 3). Сигналы с узла детектора поступают на плату сбора данных и обрабатываются на ПК следующим образом. По триггерному сигналу проводится проверка сигнала на цифровом входе. Если тип частицы, определяемый по сигналу на цифровом входе платы сбора данных соответствует заданному, происходит подсчёт сигнала от этой частицы. В обратном случае сигнал не учитывается. Таким образом проводится одновременное измерение выхода электронов и ионов.

Геометрическая схема реализации эксперимента представлена на фиг. 7, где α полярный угол между нормалью к поверхности образца и направлением распространения пучка, β азимутальный угол между нормалью к поверхности образца и направлением распространения пучка, θ полярный угол детектором и направлением распространения пучка, отчитывается относительно первоначального направления распространения пучка, ϕ азимутальный гол детектором и направлением распространения пучка.

Экспериментальное определение параметра аморфизации осуществляют следующим образом:

1) Образец устанавливают так, чтобы азимутальный β угол между нормалью к его поверхности и направлением распространения пучка составлял не менее 10° в случае, если на поверхность образца выведена кристаллографическая плоскость, если производителем образца заявлено иное, угол выставляют не менее 45°. Детектор устанавливают так, чтобы полярный угол между ним и направлением распространения пучка составлял 140-170°, что позволяет, с учетом геометрических размеров детектора, получить наилучший выход вторичных частиц, при этом азимутальный угол ϕ может быть выбран произвольно в диапазоне от 0 до 45°.

2) Затем образец последовательно отклоняют по азимутальному углу, через каждые 30' образец останавливают, и с помощью ППД регистрируют интегральный выход вторичных частиц. Отклонения производят до достижения угла не менее 10° в обратную сторону от нормали в случае, если на поверхность образца выведена кристаллографическая плоскость, если производителем образца заявлено иное, угол должен составлять не менее 45°, таким образом обеспечивается суммарное сканирование выхода вторичных частиц в зависимости от взаимного расположения направления распространения пучка и нормали к поверхности образца, обеспечивающее прохождение не менее одного из минимумов выхода, связанных с наличием кристаллографических направлений.

3) Из набора измерений, соответствующих серии последовательных отклонений образца на заданное количество шагов, получают кривую зависимости интегрального выхода вторичных частиц от угла отклонения. Каждое измерение выхода производят при одинаковом количестве упавших на образец анализирующих частиц, что возможно осуществлять, например, при помощи описанного в патенте RU187686U1 устройства и аналогов. Записывают максимальные значения выхода на полученной зависимости для каждого из типов частиц (Y_max).

4) Затем для более точного позиционирования образца производят аналогичное сканирование в области минимума кривой выхода с меньшими интервалами отклонений образца 1'12".

5) Далее образец устанавливают в положение, соответствующее наименьшему выходу вторичного ионизирующего излучения по азимутальному углу.

6) Затем производят аналогичное сканирование по полярному углу α и образец устанавливают в положение, соответствующее наименьшему интегрального выходу вторичного ионизирующего излучения по полярному углу.

7) Затем детектор последовательно отклоняют по полярному углу, через каждые 30' детектор останавливают, и определяют выход вторичных частиц. Отклонения производят в диапазоне от 110° до 170° с заданным шагом, при этом величина угла перемещения детектора составляет не менее 30° и измерением на каждом шаге выхода вторичного ионизирующего излучения.

8) Из набора измерений, соответствующих серии последовательных отклонений детектора на заданное количество шагов, получают зависимость выхода вторичных частиц от угла отклонения детектора. Каждое измерение выхода производят при одинаковом количестве упавших на образец анализирующих частиц. Записывают минимальные значения выхода на полученной кривой для каждого из типов частиц (Y_min).

9) Параметр аморфизации определяют по максимальному значению из полученных отношений Y_min/Y_max для каждого из типов частиц.

Возможна реализация способа при изменении последовательности поворота образца: сначала по полярному, затем по азимутальному углу.

Ниже представлены варианты реализации заявляемого изобретения с различными значениями доз облучения однозарядными ионами гелия для получения степеней дефектности для различных кристаллических твердых тел. Облучение поверхностей образцов осуществлялось в экспериментальном тракте (схема представлена на фиг. 5) на ускорителе HVEE-500. После прохождения направляющего магнита (8) ускоренный пучок направляют в экспериментальный тракт, где он фокусируется квадрупольной триплетной линзой (10) и, при необходимости, может быть отклонён по вертикали электродами, на которые подается напряжение до 2.5 кВ. Далее пучок коллимируется системой из двух прямоугольных диафрагм (11) с регулируемыми размерами (от 0×0 до 50×50 мм²), после чего попадает в экспериментальную камеру (14) с образцом через систему контроля дозы падающих частиц (13), которая может быть реализована в соответствии с устройством, представленным в патенте RU187686U1 или его аналогов. Схема экспериментальной камеры представлена на фиг. 4. При размерах двух диафрагм 1×1 мм², расходимость пучка составляет 0.12° и растёт с увеличением размеров отверстий диафрагм. Система вакуумной откачки содержит два турбомолекулярных насоса (12) в сочетании с форвакуумными насосами и вакуумные затворы (9). Для быстроты замены образцов предусмотрена возможность предварительной откачки экспериментальной камеры дополнительным форвакуумным насосом. Рабочее давление в камере достигает порядка 10^-7 мбар. Давление остаточных газов измеряется с помощью манометров Пирани (низкий вакуум) и ионизационных вакуумметров (высокий вакуум) с холодным катодом. Для определения параметра аморфизации кремниевой мишени применялись ионы гелия с энергией 350 кэВ. Зависимости выхода вторичных частиц от взаимного расположения нормали к поверхности образца и направления распространения пучка представлены на фиг. 6.

Заявляемым способом была определена степень разрушения кристаллической структуры твердотельных кристаллических образцов размерами от 0,5×0,5 до 1,5×1,5 см², поверхность которых была модифицирована в результате облучения различными флюенсами, при этом наблюдались параметры аморфизации, соответствующие трем областям дефектообразования.

Пример 1.

Образец устанавливали так, чтобы азимутальный β угол между нормалью к его поверхности и направлением распространения пучка составлял 10°. Детектор устанавливали с обеспечением полярного угла между ним и направлением распространения пучка 160°, азимутальный угол ϕ составил 0°. Образец отклоняли по азимутальному углу и через каждые 30' образец останавливали, с помощью ППД регистрировали интегральный выход вторичных частиц. Отклонения производили до достижения угла 10° в обратную сторону от нормали. Из набора измерений, соответствующих серии последовательных отклонений образца на заданное количество шагов, получили кривую зависимости интегрального выхода вторичных частиц от угла отклонения. Каждое измерение выхода производили при одинаковом количестве упавших на образец анализирующих частиц при помощи описанного в патенте RU187686U1 устройства. Записывали максимальные значения выхода на полученной зависимости для каждого из типов частиц. Для более точного позиционирования образца производили аналогичное сканирование в области минимума кривой выхода с меньшими интервалами отклонений образца 1'12". Далее образец был установлен в положение, соответствующее наименьшему выходу вторичного ионизирующего излучения по азимутальному углу. Затем производили аналогичное сканирование по полярному углу α и образец установили в положение, соответствующее наименьшему интегрального выходу вторичного ионизирующего излучения по полярному углу. Затем детектор последовательно отклоняли по полярному углу, через каждые 30' детектор останавливали, и определяли выход вторичных частиц, отклонения производили в диапазоне от 140° до 170° с шагом в 30'. Из набора измерений, соответствующих серии последовательных отклонений детектора на заданное количество шагов, получили зависимость выхода вторичных частиц от угла отклонения детектора. Определялись минимальные значения выхода на полученной кривой для каждого из типов частиц (Y_min), максимальное значение из полученных отношений Y_min/Y_max было получено для ионов. Пример полученных кривых интегрального выхода вторичных частиц в области минимумов выхода представлен на фиг. 6.

Образцы представляли собой плоские элементы кремниевых пластин размерами 1,0×1,0 см². Для получения кремния с разной степенью дефектности было использовано облучение ионами гелия с энергией 100 кэВ и дозой от 0,5×10¹⁵ до 2,5×10¹⁶ ион/см². Полученные значения параметра аморфизации Y_min/Y_max были сопоставлены с известным из уровня техники параметром DPA (смещение на атом), определенного с помощью TRIM.

Таблица 4. Параметры аморфизации и DPA при облучении ионами гелия кремниевых образцов.

Доза облучения, ион/см² Параметр DPA Параметр
аморфизации
Y_min/Y_max Ошибка определения параметра Y_min/Y_max 8×10¹⁵ 0,42 0.61 0,03 1.5×10¹⁶ 0,74 0,88 0,03 2,4×10¹⁶ 1,2 0,95 0,03

Таким образом, при дозе облучения 8×10¹⁵ ион/см² кристаллическая структура кремния остается неразрушенной, с возможным наличием точечных дефектов, при дозе облучения 1.5×10¹⁶ ион/см² кристаллическая структура кремния преимущественно разрушена, а при дозе облучения 2,4×10¹⁶ ион/см² кристаллическая структура кремния становится полностью разрушенной, что согласуется с полученными параметрами DPA.

Пример 2.

Образцы представляли собой плоские пластины алмазов размерами 0,5×0,5 см². Определение параметра аморфизации проводилось аналогично примеру 1.

Для получения алмаза с разной степенью дефектности было использовано облучение ионами гелия с энергией 250 кэВ и дозой от 1×10¹⁴ до 5×10¹⁶ ион/см². Полученные значения параметра аморфизации Y_min/Y_max были сопоставлены с известным из уровня техники параметром DPA (смещение на атом), определенного с помощью TRIM.

Таблица 5. Параметры аморфизации и DPA при облучении ионами гелия алмазных образцов.

Доза облучения, ион/см² Параметр DPA Параметр аморфизации Y_min/Y_max Ошибка определения параметра Y_min/Y_max 9,5×10¹⁵ 0,35 0.53 0,03 2×10¹⁶ 0,7 0,84 0,03 3,5×10¹⁶ 1,1 0,96 0,03

Таким образом, при дозе облучения 9,5×10¹⁵ ион/см² кристаллическая структура алмаза остается неразрушенной, с возможным наличием точечных дефектов, при дозе облучения 2×10¹⁶ ион/см² кристаллическая структура алмаза преимущественно разрушена, а при дозе облучения 3,5×10¹⁶ ион/см² кристаллическая структура алмаза становится полностью разрушенной, что согласуется с полученными параметрами DPA.

Пример 3.

Образцы представляли собой плоские пластины карбида кремния размерами 0,8×0,8 см². Определение параметра аморфизации проводилось аналогично примеру 1.

Для получения карбида кремния с разной степенью дефектности было использовано облучение ионами гелия с энергией 200 кэВ и дозой от 5×10¹⁴ до 3×10¹⁶ ион/см². Полученные значения параметра аморфизации Y_min/Y_max были сопоставлены с известным из уровня техники параметром DPA (смещение на атом), определенного с помощью TRIM.

Таблица 6. Параметры аморфизации и DPA при облучении ионами гелия образцов карбида кремния.

Доза облучения, ион/см² Параметр DPA Параметр аморфизации Y_min/Y_max Ошибка определения параметра Y_min/Y_max 7×10¹⁵ 0,3 0.44 0,03 1.6×10¹⁶ 0,75 0,87 0,03 3×10¹⁶ 1,4 0,98 0,03

Таким образом, при дозе облучения 7×10¹⁵ ион/см² кристаллическая структура карбида кремния остается неразрушенной, с возможным наличием точечных дефектов, при дозе облучения 1,6×10¹⁶ ион/см² кристаллическая структура карбида кремния преимущественно разрушена, а при дозе облучения 3×10¹⁶ ион/см² кристаллическая структура карбида кремния становится полностью разрушенной, что согласуется с полученными параметрами DPA.

Данный способ контроля кристалличности образца позволяет осуществлять постоянный in situ контроль степени разрушения кристаллической решетки образцов ионным пучком на ускорителях ионов без нарушения условий вакуума.

Группа изобретений относится к области ускорительной техники. Способ определения степени разрушения кристаллической структуры образца основан на регистрации вторичного ионизирующего излучения при различных углах вращения образца и полупроводникового детектора с определением типа каждой регистрируемой частицы по фронту импульса, и последующим определением степени разрушения образца по параметру аморфизации. Технический результат – определение степени разрушения кристаллической структуры образца, имеющего по меньшей мере одну плоскую поверхность, в процессе его облучения ускоренными частицами без нарушения вакуумного цикла. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 6 табл.

1. Способ определения степени разрушения кристаллической структуры образца, имеющего по меньшей мере одну плоскую поверхность, в процессе его облучения пучком ускоренных частиц, включающий регистрацию вторичного ионизирующего излучения при различных углах вращения образца и полупроводникового детектора и определение типа каждой регистрируемой частицы по фронту импульса; при этом первоначально образец устанавливают перпендикулярно пучку ускоренных частиц плоской поверхностью, затем образец поворачивают по азимутальному углу не менее чем на 10°, при этом детектор устанавливают так, чтобы полярный угол между ним и направлением распространения пучка составлял 140-170°, а азимутальный угол находился в диапазоне от 0 до 45°, с последующим вращением образца по азимутальному углу с заданным шагом и регистрацией ионизирующего излучения на каждом шаге в процессе вращения образца, до достижения угла с противоположной стороны от оси падения ускоренных частиц, не менее 10°, фиксируют максимальные значения выхода вторичного ионизирующего излучения на полученной кривой для каждого из типов частиц (Y_max) и угол, соответствующий минимальному значению интегрального выхода вторичного ионизирующего излучения, после чего образец устанавливают в положение, соответствующее минимальному значению интегрального выхода вторичного ионизирующего излучения, и из данного положения производят аналогичное сканирование образца при перемещении по полярному углу не менее 10°, при этом фиксируют положение образца, соответствующее минимальному значению интегрального выхода вторичного ионизирующего излучения, после чего образец устанавливают в данное положение, с последующим перемещением детектора при фиксированном положении образца по полярному углу в диапазоне от 110 до 180° с заданным шагом, при этом величина угла перемещения детектора составляет не менее 30°, с измерением на каждом шаге выхода вторичного ионизирующего излучения, фиксируют минимальные значения выхода вторичного ионизирующего излучения для каждого из типов частиц (Y_min); параметр аморфизации определяют как максимальное из отношений Y_min/Y_max для каждого из типов частиц, по значению которого определяют степень разрушения образца: степени 1 соответствуют значения параметра аморфизации до 0.7, при этом кристаллическую структуру образца считают неразрушенной, с возможным наличием точечных дефектов; степени 2 соответствуют значения параметра аморфизации от 0.7 до 0.9, при этом кристаллическую структуру образца считают преимущественно разрушенной с присутствием характерного процесса объединения активных областей дефектов в высокодефектные области; степени 3 соответствуют значения параметра аморфизации 0.9 и более, при этом кристаллическую структуру образца считают полностью разрушенной, с переходом в аморфную область.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для облучения используют ускоренные частицы, включая ионы аргона, гелия, углерода, электроны или нейтроны.

3. Установка для определения степени разрушения кристаллической структуры образца, включающая размещенные в камере:

- гониометрическую систему с держателем для размещения исследуемого образца, выполненную с возможностью поступательного перемещения образца в вертикальном направлении и вращения образца вокруг трех осей;

- полупроводниковый детектор (ППД), снабженный поворотным механизмом, расположенный с возможностью регистрации вторичного ионизирующего излучения от образца;

- шаговые двигатели, соединенные с гониометрической системой и ППД, выполненные с возможностью угловых перемещений упомянутых устройств;

- процессор или компьютер, содержащий блок обработки данных, включающий плату сбора данных, содержащую цифровой вход и вход триггер/счётчик,

при этом поворотный механизм, ППД и гониометрическая система расположены на одной оси симметрии, а ППД содержит блок обработки сигнала, включающий малошумящий предусилитель, соединенный с зарядочувствительным усилителем, АЦП, схему, выполненную с возможностью анализа фронта импульса посредством измерения времени нарастания фронта импульса с ППД, формирования логического сигнала, передающего тип зарегистрированной частицы, а также триггерного сигнала, информирующего о прохождении частицы через ППД.

4. Установка по п.3, характеризующаяся тем, что использован 200-МГц АЦП разрядностью 8 бит в комплексе с микроконтроллером.

5. Установка по п.3, характеризующаяся тем, что гониометрическая система выполнена с возможностью вращения образца с точностью поворота не менее 1'12".

6. Установка по п.3, характеризующаяся тем, что гониометрическая система выполнена с возможностью поступательного перемещения образца в вертикальном направлении с шагом не более 0.1 мм посредством микрометрического винта.

7. Установка по п.3, характеризующаяся тем, что держатель образцов выполнен с возможностью установки образцов размерами до 50×50 мм.

8. Установка по п.3, характеризующаяся тем, что держатель образцов выполнен из материала с высокой теплопроводностью с возможностью отведения тепла от образца в процессе облучения.